Загрузил nile

Мазур Л.С. Техническая термодинамика и теплотехника

Реклама
Рекомендовано в качестве учебника для студентов
вузов, обучающихся по специальности «Биотехнология»
Рекомендовано УМОпо медицинскому и фармацевтическому
образованию России и Министерством здравоохранения
Российской Федерации в качестве учебного пособия для
студентов, обучающихся по специальности 040500 «Фармация»
М о скв а
И зд а те л ьский д о м
Г Э О Т А Р -М Е Д
2003
удк-б2ітьо+<в?53) L 5 b (o .% -+ GA i. i . O- f l ( C ffS . $ )
ББК 31.3ІЯ73
M13
Рецензенты:
Докт. техн. наук, проф., зав. кафедрой химической энергетики СанктПетербургского технологического института (технического университета)
О.А. Рыжухин
Докт. физ.-мат. наук, проф., зав. кафедрой обшетехнических дисциплин Рос­
сийского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена
А.А. Рычков
13
Мазур Л. С.
Техническая
термодинамика
и теплотехника:
Учебник.
ГЭОТАР-МЕД, 2003. — 352 с.: ил. — (Серия «XXI век»).
ISBN 5-9231-0271-4
—
М.:
В учебнике излагаются основы технической термодинамики и эксергетического
метода анализа термодинамических процессов. На их основе рассмотрены процессы,
оборудование и направления снижения энергозатрат при получении энергоносителей в
виде пара, горячих жидкостей, хладоносителей, сжатых газов; при создании вакуума;
при повышении потенциала теплоты в теплонасосных установках; возможные пути
использования низкопотенциальных вторичных энергоресурсов.
В каждой главе учебника приведены расчетные примеры. В конце книги даны
справочные таблицы и диаграммы, необходимые для решения задач.
Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по специальности «Био­
технология» и других химико-технологических специальностей. Может служить посо­
бием для аспирантов и инженерно-технических работников.
б ъ ^ ч ч
I
С.Торайғырев
I пгындагы ПМУ-дің'
академик С.Бейсембаев
I атындағы ғылымц
У Д К 621.1.01(075.8)
ББК 31.31я73
[КІТАПХАНАСЫ
Напечатано в Российской Федерации.
Права на данное издание принадлежат издательскому дому «ГЭОТАР-МЕД».
Воспроизведение и распространенные в каком бы то ни было виде части или целого
издания не могут быть осуществлены без письменного разрешения издательского
дома.
ISB N 5-9231-0271-4
© Мазур Jl.С., 2003
© Издательский дом «ГЭОТАР-МЕД», 2003
Предисловие
При обучении студентов по направлению — «Биотехнология», обшепрофессиональная дисциплина «Техническая термодинамика и теплотехника» призва­
на обеспечить фундаментальную и направленную энергетическую подготовку
специалиста, непосредственно связанную с химической технологией и био­
технологией. позволяющую успешно решать задачи создания и эксплуатации
энергосберегающей техники и технологии, в частности и в чимико-фармацевтической промышленности. Эта дисциплина служит базой для формиро­
вания у студентов мышления о необходимости рационального использования
энергетических ресурсов, учит делать научно-обоснованный эксергетический
анализ всей последовательности энергетических превращений, использовать
вторичные энергоресурсы, сокращать тепловые выбросы в окружающую среду.
Студенты получают знания и умения по расчету и выбору оборудования, оцен­
ке его эффективности, путях усовершенствования с целью снижения энерго­
потребления.
Учебник написан в соответствии с программой, разработанной Санкт-Пе­
тербургской государственной химико-фармацевтической академией на основа­
нии Государственного образовательного стандарта высшего профессионально­
го образования и основной образовательной программой по направлению №55
подготовки дипломированного специалиста — «Биотехнология», одобренной
на заседании Проблемной учебно-методической комиссии по биотехнологии.
Изучение дисциплины опирается на знания студентами курсов физики,
прикладной математики, неорганической, органической и физической химии,
процессов и аппаратов химической технологии и предшествует изучению кур­
сов обшей химической технологии и промышленной экологии, основ проек­
тирования производств, специальным дисциплинам, курсовому и дипломному
проектированию.
Дисциплина состоит из лекционного курса, семинарских занятий и завер­
шается на обшеинженерной практике, в программе которой предусматривается
соответствующий раздел.
Данное издание отличает выраженная химико-технологическая направлен­
ность, системный подход в изложении материала, использование эксергетиче­
ского метода анализа, концентрация внимания не столько на конструктивных
особенностях машин и установок, сколько на анализе способов их использова­
ния и технических показателях, оценивающих их энергетическое совершенство
в различных условиях, путях снижения энергозатрат. В учебнике отсутствует
материал о турбинах, двигателях, теплосиловых циклах, топках, не профильных
для биотехнологий.
Приведенные примеры решения задач посвящены тем вопросам, с которы­
ми сталкиваются инженеры-технологи.
Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры процессов и ап­
паратов химической технологии СПбХФА за поддержку: А. В. Овчинниковой,
4
❖
Ilp c 4 iic \o » iic
А. А. Неркарарян, А. Ш. Нурасвой за техническую помощь; студентам С. Глазюк, О. Тенькиной, О. Пушкаревой , М. Корзенко, О. Красуцкой, Е. Бычковой,
М. Михальченко, М. Швыреву, А. Кондакову, М. Артемовой, Ю. Демченко,
Е. Кузьминой и профессору Е.Д. Эйдельману за внимательное прочтение ру­
кописи, замечания и поправки.
Введение
В нашей стране проблемы энергосбережения с каждым годом становятся
все актуальнее. В настоящее время на единицу национального дохода затрачи­
вается в три раза больше энергии, чем в странах Западной Европы, в четыре
раза больше, чем в СШ А, и в шесть раз больше, чем в Японии. В себестоимости
продукции, произведенной в Японии, затраты на топливно-энергетические
ресурсы составляют 6 — 7%.
Химические технологии и биотехнологии относятся к энергоемким: доля
энергозатрат в себестоимости конечной продукции может составлять более
30%. Основное потребление энергии происходит с греющим паром, с высо­
котемпературными теплоносителями, с горячей и холодной водой, идет на
выработку сжатых газов, на создание вакуума, на получение холода.
Энергосбережение — это не только один из способов повышения эффек­
тивности производства и снижения стоимости готовой продукции, но также
возможность ограничения масштабов сброса теплоты в окружающую среду.
О том, что эта проблема стратегическая в общегосударственном масштабе,
говорят те факты, что существует постановление правительства №1087 «О
неотложных мерах по энергосбережению», принят Федеральный закон «Об
энергосбережении», разработана и реализуется Федеральная программа «Энер­
госбережение в России».
Задача экономии топливно-энергетических ресурсов, максимального ис­
пользования внутренних источников энергии в комплексе с проблемой эко­
логически чистого ее использования требует фундаментальной специфически
направленной подготовки инженера-технолога.
Условные обозначения
А — аппарат
АВ — аппарат выпарной
АК — аккумулятор теплоты
АС — абсорбер
АХМ — абсорбционная холодильная
машина
АТ — аппарат теплообменный
Б — барабан котла, гидробак, бакрасширитель
БМФ — блок масляных фильтров
В — вентилятор
ВВ — вентилятор вытяжной
ВД — влагоотделитель
ВН — вакуумный насос
ВП — вентилятор приточный
ВРУ — воздухоразделительная установка
ВЭР — вторичные энергоресурсы
Г — генератор, подогреватель
ГВ — подогреватель воздуха
ГД — дополнительный подогреватель
Г - К — подогреватель-конденсатор
ГР — горелка
Г—X — подогреватель-холодильник
Д — дымовая труба
ДВС — двигатель внутреннего сгорания
ДМ — дымосос
ДП — делитель потока
ДР — дроссель
ДТ — детандер
ДФ — диффузор, дефлегматор
Д Ф -И — дефлегматор-испаритель
3 — заслонка
ЗЛ — золоуловитель
И — испаритель
И - К — испаритель-конденсатор
ИП — источник пара
ИТ — источник теплоты
К — конденсатор
КВ — канал вытяжной
К —Г — конденсатор-подогреватель
К —И — конденсатор-испаритель
К - К — конденсатор-кипятильник, куб
колонны
КЛ — коллектор
КМ — компрессор
КМтх — компрессор термохимический
КН — канал
КО — конденсатоотводчнк
КП — клапан предохранительный
КП — канал приточный
КР — клапан редукционный
Л — ловушка
Н — насос
НС — насадка
ОБ — объект
ОК — обратный клапан
ос — окружающая среда
ОТ — опускные трубы
П — печь, выход продукции
П Г — парогенератор
ПЗ — переходная зона
ПП — пароперегреватель
П П — потребитель пара
ПТ — потребитель теплоты
ПХ — потребитель холода
РБ — рубашка
РЖ — форсунка (распылитель жидкости)
РК — ректификационная колонна
PC — ресивер
РШ — решетка
С — сепаратор
С Б — сборник
СМ — камера смешения
СО — сопло
СОО — система осушки и очистки воздуха
СП — сосуд промежуточный
СУ — сушильная установка
СШ — сушилка
Т — теплообменник
ТБ — труба
Т К — топочная камера
ТМ — термометр
ТН — тепловой насос
ТНУ — теплонасосная установка
ТР — теплообменник регенеративный,
рекуперативный
ТС — техническая система
ТТ — тепловая труба
ТУ — турбина
УТ — утилизатор теплоты
Ф — фильтр
ФП — фильтр пыли
X — холодильник
ха — хладагент
ХД — переохладитель (холодильник
дополнительный)
Х-И — холодильник-испаритель
хн — хладоноситель
ХП — холодильник промежуточный
ХУ — холодильная установка
U — цех, Лроизводственное помещение
ШТ — штуцер
Э — эжектор
ЭМ — экономайзер
ЭТ — экранные трубы
У словны е о б озн ач ен и я
Обозначения величин
.4 — относительный вакуум
а — скорость звука
В — расход топлива
6 — удельный расход топлива
С — постоянная величина
с — массовая теплоемкость
Ст — стоимость
Со — постоянная Стефана-Больцмана
D — потери эксергии
d — удельные потери эксергии, диаметр,
характерный размер аппарата
Е — эксергия
е — удельная эксергия
F — площадь
/ — плошадь сечения
g — ускорение силы тяжести
Я — энтальпия
h — удельная энтальпия
К — постоянная Больцмана
Кп — критерий Кнудсена
к — коэффициент Пуассона (показатель
адиабаты )
I — работа
I — удельная работа
И — молярная масса
m — масса, массовый расход
N — мощность
п — число молекул, число молей, число
оборотов
Z — высота
z — число ступеней компрессора
р — давление
Q — поток газа в вакуумной технике,
теплота
Qo — холодопроизводительность
q — удельная теплота
до — удельная холодопроизводительность
R — удельная газовая постоянная
R m ~ универсальная (молярная) газовая
постоянная
г — удельная теплота парообразования
радиус
S — энтропия, быстрота откачки
в вакуумной технике
s — удельная энтропия
Т — температура по шкале Кельвина
t — температура по шкале Цельсия
U — внутренняя энергия, проводимость
вакуумной системы
и — удельная внутренняя энергия
V — объем, объемная
производительность, объемный расход
V — удельный объем
❖
7
И’ — расход вторичного пара
U' — скорость
.V — влагосодержание воздуха
.г — степень сухости пара
У — доля ожиженного воздуха
у — массовая доля
о — коэффициент адиабатного
дросселирования
3 — соотношение давлений
7 — коэффициенты
Л — изменение величины
Л G — энергия Гиббса
s — холодильный коэффициент
С — мольная доля
£ — мольная концентрация
г) — коэффициент полезного действия
Ө — температура
0 — температура
а — коэффициент использования ВЭР,
кратность циркуляции раствора в АХМ
Е — знак суммы
Л — коэффициент эффективности
совмещенного цикла
fj — коэффициент динамической вязкости
(вязкость)
Л — длина пробега молекулы
г — температура мокрого термометра,
температура продукта при сушке
р — плотность
г — время
ге — эксергетическая температурная
функция
^ — различные коэффициенты
Ф — коэффициент преобразования
теплоты
и>— угловая скорость
Q — кратность циркуляции
à — продувка
/ / — коэффициент инжекции
П — количество выпускаемой продукции
ц — цена
Э — затраченная электроэнергия.
тепловой эквивалент топлива, энергия
Нижние индексы
а™ — атмосферный
абс — абсолютный
ад — адиабатный
а — аппарат
д — абсорбер
в — вал, вода
во — вода оборотная
ар — вода речная
влрт. — вода артезианская
оак — вакуум
8
Ф
У словн ы е об о зн ач ен и я
вх — входящий
вз — воздух
вс — всасываемый
вн — внешний, вакуумный насос
г — граничный, горячий
гр.п. — греющий пар
газ — газообразный
г.с. — гидравлическое сопротивление
год — годовой
г — генератор
ят — детандер
яв — двигатель
я — действительный
доп — дополнительный
с — эксергетический
ж — жидкий
з — зима
зм — замещенный
зат — затраты
исп — испарение
и — излучение, использование
из — изоляция
ип — источник пара
ИТ — источник теплоты
к — критическая точка, конечный
конд — конденсация, конденсат
км — компрессор
к — Карно
кал — калорифер
кр — критические параметры при
истечении, крепкий раствор
л — лето
м — мертвое пространство, мембрана,
молярный
мех — механический
нтк — нормальная температура кипения
н — насос
н — начальный
нагр — нагревание
нап — наполнение
Нр — недорекуперация
ос — окружающая среда
ост — остаточное давление
о — хладопроизводительность
охл — охлажденный
об — объект
окр — потери в окружающую среду
п — пар
пот
потери
пР — промежуточный
ПР — производство
пт — потребитель теплоты
пол — полезный
пг — парогенератор
пв — повышенный, повышение
пн — пониженный, понижение
пп — пар перегретый
лх — потребитель холода
р — при постоянном давлении
Р — деформационный
разр — разряжение
с — концентрационный
сг — сгорание
сл — слабый
т — натекание
тр — трение
тех — технический
тв — твердый
тб — трубопровод
тп — ТОПЛИВО
уд — удельный
ут — утилизатор
у — установочный
хл — хладагент
х — холодильный
хн — хладоноситель
хим — химический
Ц — цилиндр, ЦИ КЛ
эл — электроэнегрия
1 — начальное состояние
2 — конечное состояние
I — работ
г — реакционная
s — состояние насыщения
t — изотермический
т — термическая
V — подача
„ — изохорный
ю — испаряющаяся влага, вторичный пар
я — теплота
q — выработка теплоты
Верхние индексы
' — назышенная жидкость
" — насыщенный пар
п — показатель политропы
к — показатель адиабаты
р — располагаемая работа
v — работа расширения (сжатия)
pv — работа проталкивания
0 —табличные значения
mm
О С Н О ВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ
ТЕРМ О ДИНАМ И КИ
1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
Термодинамика — наука о закономерностях превраще­
ния энергии.
Энергия — это форма движения материи. За единицу
энергии Э принят один джоуль, Дж. Если энергия рас­
считывается за единицу времени, равной одной секунде,
то величина называется расходом энергии и единице*! ее
измерения является один ватт, Вт. Удельная энергия — это
энергия одного килограмма массы вещества: э. Д ж /кг.
Вещества или объекты (газ, пар, твердое вещество),
обменивающиеся энергией, называются рабочими те.іа.чи.
Совокупность рабочих тел. свободно обменивающихся
энергией друг с другом или с окружающей средой, назы­
вается термодинамической системой.
Двумя эквивалентными, но различными формами пе­
редачи энергии являются т ет ота Q. Дж или Вт, g, Д ж /кг,
и работа L, Дж или Вт, I. Д ж /кг.
Различают открытые, закрытые, адиабатные и изо­
лированные термодинамические системы. Открытые си­
стемы обмениваются веществом с другими системами
и с окружающей средой, а закрытые не обмениваются.
Адиабатные системы не обмениваются теплотой ни с дру­
гими системами, ни с окружающей средой. Изолированные
системы не обмениваются с другими системами и с окру­
жающей средой ни веществом, ни теплотой, ни работой.
Окружающая среда характеризуется тем, что ее пара­
метры не зависят от параметров рассматриваемой систе­
мы, и все ее компоненты находятся в полном равновесии.
Примерами такой среды могут быть атмосфера, морская
вода, космическое пространство.
10
❖
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ О ДИ Н А М И КА И Т Е П Л О Т ЕХ Н И К А
❖
Глава!
Расчеты теплоты и работы проводят на основе термодинамических пара­
метров состояния веществ, входящих в систему. Такими параметрами явля­
ются: температура Г , К, t, °С; давление р, Па; удельный объем и, м3/к г ,
или плотность р = l /и, к г/м 3. К функциям параметров состояния относятся:
удельная внутренняя энергия и , Д ж /кг; удельная энтальпия Һ, Д ж /кг:
h = и +
(1.1)
удельная энтропия s, Д ж /(к г - К):
-Jf,
То
где Т0 — температура в точке начала отсчета энтропии, выбираемой произ­
вольно, подобно тому, как произвольно выбирается начало отсчета внутренней
энергии; Г — температура рабочего тела в рассматриваемой точке. При отсут­
ствии воздействий на систему состояние чистого вещества однозначно опре­
делено, если заданы два независимых параметра или их функции, например, р
и Т , р и V, Т и и, Г и s и т.д. Параметры состояния и их функции для многих
веществ представлены в справочных таблицах, некоторые из них даны в при­
ложении. Три параметра состояния чистого вещества (или их функции) дают
термодинамическую поверхность, которая может быть описана уравнением.
Например, состояние идеального газа описывается уравнением Менделеева —
Клапейрона
pv = R T ,
(1.3)
где R, Д ж /к г - К — удельная газовая постоянная, R = R m /M , где /?д; = 8314
Дж/кмоль К — универсальная газовая постоянная; М , кг/км оль — молярная
масса газа.
Термодинамическая поверхность может быть представлена графически
в пространственных координатах, но это неудобно. Уравнения состояния ре­
альных газов достаточно сложны и недостаточно точны. Поэтому для практиче­
ского использования строят плоские, двухкоординатные диаграммы состояния,
которые являются проекциями трехмерной термодинамической поверхности
состояния на одну из трех координатных плоскостей. Каждой строчке справоч­
ной таблицы состояния вещества соответствует точка на диаграмме состояния.
Эти точки отражают равновесное состояние изолированной термодинамической
системы, все части такой системы имеют одинаковые параметры состояния,
и эти параметры не меняются во времени.
1.2. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ
Наиболее часто диаграммы состояния строятся в координатах р - Т , Т — s,
р - V, h - s, h - р. Виды этих диаграмм приведены на рисунках 1-1 —1-5.
О сновы техн ической терм од и н ам и к и
❖
11
Реальные вещества могут существовать
в трех агрегатных состояниях: твердом, жид­
ком и газообразном в зависимости от пара­
метров веществ. На диаграммах состояния
изображаются кривые или плоскости пере­
хода вещества из одного агрегатного состоя­
ния в другое, т. е. фазовых переходов. Пере­
ход из твердой фазы в газообразную называ­
ется возгонкой или сублимацией. На диаграм­
ме р - Т (рис. 1-1) этот процесс изображается
линией ВО. Переход из твердой фазы в жид­
кую, называемый плавлением, и обратный
процесс — затвердевание, изображаются ли­ Рис. 1 -1. Диаграмма состояния в р - Т
нией ОА. Переход из жидкой фазы в га­ координатах.
зообразную (в пар) называется испарением,
обратный процесс — конденсацией. Пар, находящийся в термическом равнове­
сии с жидкостью, называется насыщенным. Зависимость давления насыщенных
паров от температуры называется линией насыщения (линия ОА').
Вещество может иметь такие параметры, при которых оно существует в трех
фазах, сочетание таких параметров называется тройной точкой (О). Для воды
параметрами тройной точки являются р0 = 610.8 Па, t0 = 0.01 иС.
Кривая сублимации ОВ (см. рис. 1-1) продолжается в сторону низких тем­
ператур. Кривая плавления ОА уходит в сторону больших давлений. Исследова­
ния, проведенные до настоящего времени, показывают, что кривая плавления
не оканчивается даже при сверхвысоких давлениях (порядка Ю10 Па). Линия
насыщения ОА' оканчивается в точке А', называемой критической точкой.
В этой точке исчезают различия между жидкостью и паром. Для воды это
происходит при рк = 22.115МПа и tK = 374,12°С, для азота рк = 3.39МПа
и = -146,0“ С, для диоксида углерода рк = 7.41 МПа и <к = 31,04°С.
Пар — это газ, верхний предел рабочих температур которого ниже кри­
тической температуры сжижения fk С: Тк. К [ГОСТ 5197|. При температурах
выше критической вещество существует только в газообразном состоянии и не
может быть переведено в конденсируемую фазу только путем увеличения его
давления.
Область жидкого состояния вещества ограничена кривыми АО и ОА и тем­
пературой Г*В координатах Т - s и р - г (рис. 1-2 и 1-3) состояние, соответствующее
тройной точке, развертывается в линию bed, Кс и Kd — левая и правая по­
граничные кривые двухфазной области жидкость — пар. называемые кривыми
(линиями) насыщения. аЬ и de — кривые двухфазной области твердое тело —
газ (линия сублимации), mb и не — левая и правая пограничные кривые двух­
фазной области твердое тело — жидкость (линия плавления). Слева от линии
12
❖
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ ОДИН АМ ИКА И ТЕП Л О Т ЕХ Н И К А
Рис. 1-2. Диаграмма состояния а
❖
Г лава!
Рис. 1-3. Диаграмма состояния в
Т- sкоординатах.
p—vкоординатах.
mba расположена область твердой фазы, между линиями пс и Кс — область
жидкого состояния, а справа от линии Kde — область газообразного состояния
вещества —
перегретогопара.
На рисунках 1-2 - 1-4 кривая насыщения cKd состоит из левой части сК,
соответствующей жидкости (конденсату) при температуре и давлении насыще­
ния (в частности жидкой фазе кипящей жидкости), и правой части Kd, соот­
ветствующей
т. е. пару, находящемуся в термическом
равновесии с жидкой фазой. Давление и температуру насыщения обозначают р„
сухомунасыщенномупару,
А
Рис. 1-4. Диаграмма состояния водяного пара в
h-s координатах.
О сновы техн и ческ ой терм од и нам ик и
❖
13
и ts, Ts. Остальные параметры жидкости в состоянии насыщения обычно обо­
значаются одним штрихом: v', ft', s', и', параметры насыщенного пара — двумя
штрихами: v", Л", s", и". Под кривой насыщения cKd (рис. 1-2 - 1-4) находит­
ся влажный пар, т,е. термодинамическая система, состоящая из насыщенной
жидкости и насыщенного пара (в частности влажным паром является вещество
в состоянии кипения). Отношение массы сухого насыщенного пара к общей
массе влажного пара, т. е. массовая доля сухого насыщенного пара в этой систе­
ме, называется степенью сухости г влажного пара. Для насыщенной жидкости
1 = 0. для насыщенного сухого пара .г = 1 , для влажного пара 0 < х < 1 . Пара­
метры влажного пара можно определить по диаграммам, на которых нанесены
линии х = const, или рассчитать по правилу аддитивности, используя парамет­
ры насыщенных пара и жидкости, например, v = :rt>" + (l-.r)i> '. В области влаж­
ного пара линии постоянного давления и постоянной температуры совпадают.
Линии постоянных температур, изображенные на рисунках 1-4— 1-5,
имеют значения <3 > fk > tj > ti, значения линий постоянных давлений
РЗ > Рк >Р2 >РЬ
В связи с тем, что для технических расчетов пользуются диаграммами
для определения свойств веществ только в жидкой и газообразной фазах,
диаграммы изображаются не полностью, часто с переносом начала координат
в тройную точку (например, для воды). От этого состояния отсчитываются
значения величин s, и, ft.
В приложениях 4.6—8 даны Т - s диаграммы диоксида углерода, воздуха,
аммиака, фреона R-12. Часто средняя часть
области влажного пара не дается на диа­
граммах, т.к. в расчетах не используется (см.
прил. 7-8).
На ft - « диаграмме (рис. 1-4) в области
жидкости и влажного пара с малыми степе­
нями сухости линии постоянных давлений
располагаются близко друг к другу', и поль­
зоваться Һ - s диаграммой в этой области па­
раметров состояния затруднительно. Поэто­
Рис. 1-5. Диаграмма состояния в
му используют не полную ft - в диаграмму,
координатах.
а только ее правую верхнюю часть, выделен­
ную на рис. 1-4 линией А ~ Б Для водяного
пара такие диаграммы применяются при х > 0,7 (см. прил. 5).
В некоторых случаях, например при расчете циклов холодильных устано­
вок, удобно пользоваться диаграммами, построенными в координатах ft - Igp
или ft - р\ схема линий диаграммы ft - р изображена на рис. 1-5.
h- у
Пример 1.1. Воздух, сжатый до давления 0,8 МПа, собирается на предприятии
двух ресиверах объемом по 6 atj (перед подачей потребителю). Какую массу
в
14
❖
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ О ДИ Н А М И КА И ТЕП Л О Т ЕХ Н И К А
О-
Г лава 1
воздуха можно поместить в них летом при средней температуре I , = 18° С
и зимой при t , = -15°С ?
Решение. Заданные температуры намного выше критической температуры
воздуха, поэтому расчеты можно вести по уравнению (1.3) для идеального газа.
Для воздуха R = 287Д ж /(кг ■К ) (см. прил. 10).
Удельный объем воздуха летом
ил = 287 ■273 + ^ _ о,104 м3/к г.
0,8 ■106
Удельный объем воздуха зимой
273 - 15
,,
и3 = 287 ------------â = 0,093 м /к г.
0.8•106
Масса воздуха в двух ресиверах объемом по 6м3:
летом
тл = 6 ' Ш
= П 5 кг:
зимой
тз = 6 о|з = 130кгПример 1.2. Определить по таблице параметры воды и водяного пара в состоянии
насыщения при давлении ps = 0.3 МПа.
Решение. По таблице термодинамических свойств воды и водяного пара
в состоянии насыщения (см. прил. 2) в строке ps = 3 • 10г’ Па находят: темпера­
тура ts = 133,54 °С, удельный объем воды в состоянии насыщения (т. е. конден­
сата) v' = 0,0010735 м '/к г , удельный объем насыщенного пара н" = 0,6059 м3/к г ,
удельная энтальпия конденсата Һ' = 561,4 кД ж /кг, удельная энтальпия пара Һ" =
= 2725,5кД ж /кг, удельная энтропия конденсата»' = 1,6717кД ж Д кг-К), удельная
энтропия пара s" = 6.993 кД ж /(к г К).
Пример 1.3. Определить по таблицам удельный объем, энтальпию и энтропию пе­
регретого водяного пара при температуре 150 °С и давлении 100 кПа. Рассчитать
его внутреннюю энергию.
Решение. По таблице термодинамических свойств воды и перегретого пара
(см. прил. 3) в столбце давления р = ЮОкПа = Ю5 Па и строке температуры
( = 150°С находят: удельный объем v = 1.937м3/к г , удельная энтальпия h =
= 2776.4 к Д ж /кг. удельная энтропия в = 7,614.3 кД ж /(кг-К). Удельную внутрен­
нюю энергию рассчитывают из уравнения (1.1)
и = 2776,4 - 100 • 1,937 = 2582,7 Д ж /кг.
Пример 1.4. Определить по таблицам все параметры воды при температуре I
= 50°С и давлении р = 200 кПа, рассчитать внутреннюю энергию воды.
О сновы техн ической терм од и н ам и к и
^
15
Решение. По таблице термодинамических свойств воды и перегретого пара
(см. прил. 3) в столбце р = 200 кПа = 2 10" Па и строке t = 50“ С находят: удель­
ный объем v = 0.0010120 м ^ к г . удельная энтальпия h = 209.4 кД ж /кг, удельная
энтропия s = 0,7034 к Д ж /(кг-К ). Удельную внутреннюю энергию рассчитывают
из уравнения (1.1)
и = 209,4 - 200 ■0,0010120 = 209.2 кД ж /кг.
Таким образом, для жидкости величины внутренней энергии и энтальпии
близки по значениям.
Пример 1.5. С помощью h - s диаграммы определить качественные состояния Н.Л)
и недостающие параметры при следующих условиях:
1) энта.іьпия Һ, = 3000 кДж /кг и давление щ = 2 МПа.
2) энтальпия һ2 = 2661 кМж/кг и температура f2 = 90°С;
3) удельный объем г3 = 2 0 м */кг и энтропия я3 = 7,17к Д ж /(к гЛ);
4) температура 1 4 = 170°С и давление /и = 0.8 МПа.
Решение. По заданным параметрам находят точку (схема построений
дана на рис. 1-6) на диаграмме (см.
прил. 5). По месту положения точки
судят о качественном состоянии НД)
и определяют недостающие параметры:
1) перегретый пар; удельный объем
vi = 0.12 м3/к г : температура /, = 290°С;
удельная энтропия -п = 6,73кДж /(кг К).
2) насыщенный пар; удельный объем
t »2 = 2.6 М‘*/кг: давление f>> = 0.07 МПа;
удельная энтропия я2 = 7.5 кД ж /(кг К).
3) влажный пар; степень сухости г ;) =
= 0.85; удельная энтальпия Л3 = 2200 Рис. 1-6. Определение параметров со­
кДж/кг; температура (3 = 36°С; давление стояния вещества по - s диаграмме
(к примеру 1 5).
Рз = 0.006 МПа.
4) состояние Н>0 не определено, так
как температуре 170°С и давлению 0.8 МПа соответствуют все точки на линии
4 -4 (рис. 1-6) для влажного пара со степенью сухости 0 <
< 1.
h
Пример 1.6. С помощью Т - к диаграммы определить качественные состояния
диоксида уг,іерода и недостающие параметры при следующих условиях'.
1) энтаіьпия hi = 353 кДж /кг: энтропия я, = 3.93 кДж /1кг К):
2) энта.іьпия /<■_>= 434 кДж /кг и да&іение
= 4 МПа:
3) давление р3 = 2 МПа и энтропия аз = 4,61 кДж Цкг-К);
4) температура = -41 °С и энтропия «« = 5.24 кДжЦкг-К)\
5) энтальпия һъ = 763 кДж /кг и энтропия
= ЬЛ'жДжЦкг-К):
6) давление рп = 6 МПа и температура te = 21 “ С.
16
❖
Рис. 1 -7.
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ ОДИН АМ ИКА И ТЕП Л О Т ЕХ Н И К А
❖
Г лава!
Определение параметров состояния вещества по t - s диаграмме (к примеру 1.6).
Решение. По двум заданным параметрам находят точку (схема построений
дана на рис. 1-7) на диаграмме Т - s (см. прил. 4). По месту нахождения точки
судят о качественном состоянии диоксида углерода и определяют недостающие
параметры:
1) жидкость: температура ti = - 2 5 °С; давление pi = 12 МПа;
2) насыщенная жидкость: удельная энтропия s2 = 4 ,24кД ж /(кг К); темпера­
тура t2 = +3° С; х 2 = 0;
3) влажный пар: температура i 3= -2 0 °C ; удельная энтальпия /г3=520 к Д ж /кг;
хз = 0,52;
4) насыщенный пар: удельная энтальпия h 4 = 653 к Д ж /кг; давление р4 =
= 1 МПа; х4 = 1;
5) перегретый пар: температура г5 = 80°С; давление р5 = 2,8 МПа;
6) состояние не определено, так как давлению р6 = 6 МПа и температуре
г6 = 21 °С соответствуют все точки на линии 6—6 для влажного пара со степенью
сухости 0 $ х $ 1 (рис. 1-7).
1.3. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ
РАБОЧЕГО ТЕЛА, НАХОДЯЩЕГОСЯ
В ОТНОСИТЕЛЬНОМ ПОКОЕ (ЗАКРЫТАЯ
СИСТЕМА)
Согласно закону сохранения энергии, сумма всех видов энергии изолиро­
ванной системы есть величина постоянная. Или иначе: количество теплоты,
подведенной к рабочему телу в данной термодинамической системе, тратится
на изменение его энергии и на совершение этим телом внешней работы.
О сновы техн ической терм од и нам ик и
❖
17
Изменение энергии складывается из изменения кинетической, потенциальной
и внутренней энергии.
Если тело находится в относительном покое, то изменение кинетической
и потенциальной энергии равно нулю, и теплота q, подведенная к системе,
тратится на изменение его внутренней энергии и и на совершение работы I.
Подведенная к рабочему телу теплота считается положительной, а отведен­
ная — отрицательной. Работа, совершенная рабочим телом, т. е. отведенная от
него, считается положительной. Работа совершенная над рабочим телом, т. е.
подведенная к нему, считается отрицательной. Изменения теплоты и работы
не являются полными дифференциалами, так как кроме параметров состояния
рабочего тела в начале и в конце процесса эти изменения зависят от пути
процесса, т. е. являются функцией процесса. Изменение внутренней энергии
является полным дифференциалом, так как зависит только от параметров
начального и конечного состояния рабочего тела.
Работа в рассматриваемом случае может быть только работой расширения
или сжатия рабочего тела. т. е. работой, направленной на изменение его объ­
ема:
6l'! ~ p d v .
(1.4)
Тогда дифференциальное уравнение рабочего тела, находящегося в относитель­
ном покое, приобретает вид:
Sq = d u + â lv
(1.5)
6q = du + pdv.
(1.6)
Из математики известно, что
pdv = d(vp - г’dp),
где
d(vp) = Slvp
(1.7)
называется работой проталкивания:
- v d p = 6lp
(1.8)
называется располагаемой работой.
После преобразования уравнения (1.6) с учетом уравнения (1.1) получает­
ся еще один вид дифференциального уравнения рабочего тела, находящегося
в относительном покое:
6q — d h - v d p .
(1-9)
Или в интегральной форме:
q ^ S h + l”,
=—
' і; ~ Ли-rf —- :
С.Торлйгыров
ртындаги ПМҮ-діц
вкаг.вм«к С-Бейсембаее
отьждзғы
ҒЫЛЫМИ
КіТАПХАНАСЫ
(1.10)
(1 1 1 )
18
❖
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ ОДИН АМ ИКА И Т Е П Л О Т ЕХ Н И К А
❖
Глава 1
1.4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В ЗАКРЫТЫХ СИСТЕМАХ
При изменении хотя бы одного параметра состояния рабочего тела про­
исходит термодинамический процесс. Процессы бывают равновесные и нерав­
новесные, обратимые и необратимые. В равновесных процессах рабочее тело
проходит через непрерывную последовательность равновесных состояний. Ес­
ли при этом не происходит изменений в окружающей среде, процесс является
обратимым.
Рассмотрим обратимые процессы рабочих тел, находящихся в относи­
тельном покое, описываемые дифференциальными уравнениями (1.6) и (1.9).
Учтем также, что отношение количества теплоты, сообщаемой одному кило­
грамму рабочего тела в каком-либо процессе, к соответствующему изменению
температуры называется удельной теплоемкостью г, Д ж /(кг-К ).
Для изохорного процесса, когда v = const, A v = 0, 1%= vA p, 1\, = О,
qv = A u.
(1.13)
qv = с„ЛТ,
(1.14)
В отсутствие фазового перехода
где с„ — теплоемкость рабочего тела в изохорном процессе. Изменение энтро­
пии
г,
г,
Для изобарного процесса, когда р = const. А р = 0, ijj = 0,
= pAv,
qp = A h.
(1.16)
qp = cpA t ,
(1.17)
В отсутствие фазового перехода
где ср — теплоемкость рабочего тела в изобарном процессе.
Изменение энтропии
* _ f àqp _ ГСр<1Т
^ sp — J у. — J Т ~ Ср
т,
Т2
Т\
.. .
(1-18)
г,
Для изотермного процесса, когда Г = const, qt = Т A s t , If = q - A u , /f = q - A h .
В изотермном процессе идеального газа A u = О, тогда
Tt = qt = T A s t.
Таким образом, As, = q,JT = Ц’/Т .
(1.19)
О сновы техн ической терм од и нам ики
❖
19
Для изотермного процесса идеального газа уравнение Менделеева - Кла­
пейрона принимает вид
Р*’ = Pi î'i = p?i
'2=
(1.20)
const.
Решая вместе уравнения (1.3), (1.8), (1.20) получают, что в изотермном
процессе идеального газа располагаемая работа
/,р = - Я Г 1п ^ = - p r l n ^ .
Pi
( 1.2 1 )
Pi
Решая совместно уравнения (1.3). (1.4), (1.20), получают, что в изотермном
процессе идеального газа работа расширения равна количеству подводимой
теплоты или работа сжатия равна количеству отводимой теплоты:
1?
= 9t = Я Т 1п — = pi’ ln — .
V\
i‘i
( 1 .2 2 )
изобарно-изотермные
Очень широко используются в промышленности
про­
цессы испарения при кипении насыщенной жидкости и конденсации насы­
щенного пара. При этом постоянная температура процесса называется темпе­
ратурой насыщения Xs, а постоянное давление процесса называется давлением
насыщения р,.
Теплота, необходимая для превращения одного килограмма кипяшей жид­
кости в сухой насыщенный пар, называется
или
г, к Д ж /(к г К):
удельнойтеплотойпарообразования
испарения
г = һ" - Һ' = Т.{я" - s') > 0.
(1.23)
Эта теплота положительна, так как подводится к рабочему телу. Теплота,
выделяющаяся при конденсации одного килограмма сухого насыщенного пара
называется
, она также обозначается буквой г:
удельнойmeruiomoùконденсации
г = һ' - Һ" = Г.(*' - *") < 0.
(1.24)
Однако значение величины получается отрицательным, так как для прове­
дения процесса конденсации пара от него необходимо отводить теплоту. По
модулю удельные теплоты испарения и конденсации одинаковы, если процес­
сы происходят при одних и тех же Т, и р,.
В процессе испарения или конденсации рабочего тела для определения
параметров влажного пара (v, и, Л, s) достаточно знать температуру Г, или
давление р, насыщения и степень сухости х влажного пара.
Для
когда
= О,
адиабатногообратимогопроцесса,
1^ = - М .
ij, = - Л и ,
изознтропным.
(1.25)
= Й'чш/Т = 0 , т. е. Зад = const, поэтому процесс называют также
Адиабатный процесс описывается уравнением
pi-k=
const,
(1 .26 )
т. е.
p it,* = р ,г * = pu*,
(1 .2 7 )
20
где
❖
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ ОДИН АМ ИКА И Т Е П Л О Т ЕХ Н И К А
❖
Глава!
к — коэффициентПуассонаили показательадиабаты
(1.28)
(1.29)
Согласно молекулярно-кинетическом теории газон для идеальных одно­
атомных газов к - 1.667; для двухатомных газов к = 1,40; для трехатомных
и более к = 1,29. Решая совместно уравнения (1.8) и (1.27), после интегрирова­
ния получают для адиабатного процесса:
(1.30)
С учетом уравнения (1.3)
(1.31)
После совместного решения уравнений (1.4) и (1.27) и после интегрирова­
ния работа расширения - сжатия адиабатного процесса:
(1.32)
Таким обраюм, для адиабатного процесса
(1.33)
'ал
Для идеального газа, н результате совместного решения уравнений (1,3)
и (1.27) для начала и конца процесса, получается температура газа в конце
адиабатною процесса:
t-1
(1.34)
Обобщенным уравнением для всех термодинамических процессов является
уравнениеполитропы
]w" = const,
(1.35)
то есть
l'i
где
п
= Ра i>J = р»п,
(1.36)
—покаштельполитропы
В и юбарном процессе п = 0 , в изохорном ч = іт ь , и изотермном процессе
для идеального газа п
1, в адиабатном процессе п А- Полифонный процесс
в идеальном газе протекает при постоянной теплоемкости г „ . Политропный
процесс характеризуется заданным коэффициентом о распределения теплоты
О сновы техн ической терм од и н ам и к и
^
21
между изменением внутренней энергией Ап и работой Г . Для каждого политропного процесса q = A u/ç = const. Показатель политропы можно определить
путем логарифмирования уравнения <1.36):
In ^
Pi
(1.37)
VI
Решая совместно уравнения (1.8) и (1.36). после интегрирования получают
для политропного процесса:
(1.38)
te)
Или, с учетом уравнения (1.3),
п~ 1
/" =--- -RTi
te r
(1.39)
Решая совместно уравнения (1.4) и (1.36), после интегрирования получают:
1
Г = п-1
Р1 t’i
(1.40)
Таким образом, для политропного процесса:
1Р
ÿ = n.
(1.41)
Аналогично адиабатному процессу температура газа в конце политропного
- * te f ■
(1.42)
Теплоту политропного процесса можно приблизительно рассчитать из урав­
нения ( 1.2 ) при средней температуре
Tl + Т-2
-As.
(1.43)
Я=
2
В любом термодинамическом процессе идеального газа изменение внутрен­
ней энергии и энтальпии может быть рассчитано по формулам:
du = с,, dT,
(1.44)
d h = c p dT,
(1.45)
так как согласно квантовой теории изохорная и изобарная теплоемкости иде­
ального газа являются функциями только температуры.
Изменение энтропии идеального газа в любом термодинамическом процес­
се (описываемом уравнением политропы) может быть рассчитано на основе
дифференциальных уравнений термодинамики по формулам:
dT
n dp
...
22
❖
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ ОДИН АМ ИКА И ТЕП Л О Т ЕХ Н И К А
❖
Г лава!
(1.47)
Или в интегральном виде:
A s — S2 —S\ = СрІП —— Л In — ,
Ji
Pi
, За
p . »2
A s — S2 ' si = c„ In —— К In -
Ti
Vi
(148)
(149)
Д ля изобарного процесса (см. также формулу (1.18):
Т2
A s v = с® In
ЗГ
С применением таблиц термодинамических функций изменение энтропии
рассчитывается следующим образом:
Р2
R In!
(1.50)
s2~ s\ —s2
Pi
где s° и S2 — табличные значения температурной функции энтропии.
Пример 1.7. При подаче потребителю насыщенного водяного пара происходит
частичная конденсация пара. Определить, как изменятся параметры водяного
пара, имеющего давление 300 кП а, при уменьшении его степени сухости от 100
до 80%. Рассчитать удельные потери теплоты паром.
Решение. Параметры насыщенного и влажного пара (точки 1 и 2 на рис. 1-8)
при давлении р = 300кП а = 0,3М Па = const
находят по h - s диаграмме (см. прил. 5): при
степени сухости ï i = 1 удельная энтальпия
hi = h" = 2725 к Д ж /кг; удельная энтропия si =
= s" = 6 ,99кД ж /(кг К). При
= 0,8: /і2 =
= 2292 кД ж /кг; s2 = 5.92 кД ж /(кг-К ). Темпера­
тура пара при конденсации не меняется t =
= ts = 133 °С = const. При р = 300 кПа =
= 3 ■105 Па удельная теплота конденсации г =
= 2164,1 к Д ж /к г (см. прил. 2)
Удельные потери теплоты паром при его
конденсации могут быть рассчитаны по фор­
муле (1.24)
q = 2292 - 2725 = -433 кД ж /кг;
или
q = (133 + 273) ■(5,92 - 6,99) = -433 кД ж /кг;
а также исходя из определения степени сухо­
сти влажного пара:
q = г ( і 2 - i i ) = 2164 • (0,8 - 1,0) = -433 кД ж /кг.
Рис. 1-8. Изображение процесса
s
иtкоординатах (к примеру 1.7).
частичной конденсации пара в h -
s
Естественно, что способ расчета не влияет
на результат. Знак минус указывает на то, что
теплота в процессе отводится.
О сновы техн ическ ой терм од и нам ик и
❖
23
ГС
t°C
s'
s"
-
примеру 1.8).
в2 «1 »
S
Рис. 1 -9. Изображение процесса испа­
рения жидкости в I s координатах (к
Рис. 1-10. Изображение изотермиче­
ского процесса в t координатах (к
примеру 1.9).
s
Пример 1.8. Какое количество теплоты потребляет аммиак на свое испарение
при давлении 0.12 МПа? Расход аммиака т = 200 кг/ч.
Решение. Для решения задачи параметры аммиака в его начальном и ко­
нечном состояниях находят по приложению 7. Схема построений изображена
на рис. 1-9.
При давлении р = 0.12 МПа жидкий аммиак в состоянии насыщения имеет
удельную энтальпию Һ’ = 282 кД ж /кг, удельную энтропию s' = 3,68 кД ж /(кг-К)
и температуру I = - 3 0 °С (точка 1, рис. 1-9). Насыщенный пар аммиака при
тех же давлении и температуре имеет удельную энтальпию Л" = 1648 кД ж /кг,
удельную энтропию s" - 9.3 кД ж /(кг К) (точка 2 на рис. 1-8).
Удельная теплота испарения аммиака при р = 0.12МПа рассчитывается по
формуле (1.23):
q = г = 1648 - 282 = 1366 к Д ж /кг
или
q
= г = (273 - 30) • (9.3 - 3,68) = 1366 кД ж /кг.
Общий расход теплоты.
Q = mq = 200 • 1366 = 2,73 • 105 кД ж /ч = 75,9 кВт.
Пример 1.9. Необходимо изотермически сжинать 25 кг/ч воздуха от давления
0.1 МПа до давления 2 МПа. Определить работу сжатия, изменение внутренней
энергии и количество теплоты, которое нужно при этом отводить. Температура
воздуха 22°С.
Решение. Для решения задачи параметры воздуха в его начальном и конеч­
ном состояниях находят по приложению 6. Схема построений изображена на
рис. 1-10.
Воздух при температуре значительно выше критической Тк можно считать
идеальным газом, поэтому для изотермического процесса изменение внутрен­
ней энергии Ли = 0.
24
❖
Т Е Х Н И Ч Е С К А Я Т Е Р М О Д И Н А М И К А II Т Е П Л О Т Е Х Н И К А
❖
Г лава!
Һ
h
hi
/і2
Рис. 1-11. Изображение изотермного процесса в
примеру 1.10).
h - s координатах (к
Рис. 1-12. Изображение изохорного
процесса
координатах (к при­
меру 1.11).
вҺ- s
При давлении воздуха р i = 0,1 МПа и температуре t = 22°С = 295К его
удельная энтропия «і = 3,77 кД ж Д кг-К) (точка 1, рис. 1-10). При р2 = 2 МПа
и t = 22°С = 295 К, s2 = 2 ,9 3 кД ж /(кгК ), (точка 2). Удельное количество
отводимой теплоты и работа сжатия рассчитываются по формуле (1.19)
l't = q t = 295(2,93 - 3,77) = -248 кД ж /кг.
Знак минус указывает на то, что теплота отводится, а работа затрачивается.
При сжатии 77? = 25 кг/ч воздуха:
Q - m q , = 25 - (-248) = -6 20 0 кД ж /ч = -1,72 кВт.
Пример 1.10. Водяной пар массой 1 кг, состояние которого определяется темпера­
турой 200 °С и давлением 0,1 М П а, сжимается изотермически до давления 1 МПа.
Определить количество отводимой теплоты, изменение внутренней энергии и ра­
боту сжатия.
Решение. Для решения задачи параметры водяного пара в его начальном
и конечном состояниях находят по приложениям 3 или 5. Схема построений
изображена на рис. 1-11.
При давлении р, = 0,1 МПа = 100кПа и температуре 11 = 200°С удельная
энтальпия пара h\ = 2875,2 кД ж /кг, энтропия si = 7,8348 к Д ж /(кг К), удельный
объем I)! = 2,172м3/ к г (точка /, рис. 1-11). При р2 = 1 МПа = 1000кПа и 12 =
= 200°С, h2 = 2875,2 кД ж /кг, я2 = 6,694 кД ж /(кг-К ), v2 = 0,206 м:,/к г , (точка 2).
Количество отводимой теплоты рассчитывается по формуле (1.19)
Я = (273 + 200) ■(6,694 - 7,8348) = -539 кД ж /кг.
Знак минус указывает на то, что теплота отводится.
Внутренняя энергия рассчитывается из уравнения (1.1).
Изменение внутренней энергии:
О сновы техн ической терм од и н ам и к и
Рис. 1-13. Изображение изобарного
процесса в t - .s координатах (к примеру
Рис. 1-14.
сжатия
1.12).
1.13).
Изображение
^
25
адиабатного
вI - s координатах (к примеру
Ли = (2827,5 - 2875.2) - (1000 ■0,206 - 100 ■2.172) = -36.5 кД ж /кг.
Знак минус указывает на то, что внутренняя энергия уменьшается.
Работа сжатия рассчитывается из уравнения (1.11):
Г =
q-
Ли = -539 - (-36,5) = -502.5 кДж/кг.
Знак минус указывает на то. что работа подводится.
Пример 1.11. Водяной пар массой 10 кг занимает объем 2 .«•’ при давлении 0.8 МПа.
Найти количество теплоты, подведенной к пару, ес.ш давление возросло до
0,9 МПа. Определить температуру и степень сухости пара в конце процесса.
Решение. Для решения задачи параметры водяного пара в его начальном
и конечном состояниях находят по приложению 5. Схема построений изобра­
жена на рис. 1-12.
Удельный объем пара v = 2/10 = 0,2ма/к г. На Л - s диаграмме начальная
точка I лежит на пересечении изохоры v = 0,2м3/к г и изобары р1 = 0,8 МПа.
энтальпия пара в этом состоянии lu = 2420 кД ж /кг, степень сухости а-( = 0,83,
температура t, = 170°С. Конечная точка 2 лежит на пересечении заданной
изохоры г = 0.2 м '/к г и изобары р2 = 0,9 МПа, энтальпия пара в этом состоянии
/ь = 2640 кД ж /кг, степень сухости х г = 0,935. Температура t2 = 175°С.
Для изохорного процесса удельное количество подводимой теплоты рас­
считывается по уравнению (1.13) с учетом уравнения (1.1):
qv = Ли = и2 —ыі = (Ло —Лі ) —i'(P2 - pi )
q = (2640 - 2420) - 0,2(0,9 - 0,8) ■103 = 200 кД ж /кг.
Количество теплоты, подведенное к т = 10 кг пара:
Q = rnqv = 10 • 200 = 2000 кДж.
26
❖
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ ОДИН АМ ИКА И ТЕП Л О Т ЕХ Н И К А
❖
Г лава!
Пример 1.12. Какое количество теплоты необходимо подводить к воздуху для
нагревания его от -23 “ С до +22 °С при постоянном давлении 0.1 МПа. Расход
воздуха 104 кг/ч.
Решение. Для решения задачи параметры воздуха в его начальном и конеч­
ном состояниях находят по приложению 6. Схема построений изображена на
рис. I-13.
При температуре t x — -2 3 °С = 250К и давлении р = 0,1 МПа энтальпия
воздуха hi = 462кД ж /кг. При 1 2 = 22°С = 295К и р = 0.1 МПа /і2 = 508кД ж /кг.
Удельное количество подводимой теплоты в изобарном процессе рассчитыва­
ется по уравнению (1.16):
qp = 508 - 462 = 46 кД ж /кг.
Расход теплоты на нагрев т = 104 к г/ч воздуха:
Q = mqp = ю 4 • 46 = 4,6 ■105 кД ж /ч = 128 кВт.
Пример 1.13. Определить температуру диоксида углерода после идеального адиа­
батного сжатия от давления 0.1 МПа до давления 0.4 МПа. Начальная темпера­
тура газа 3°С. Рассчитать располагаемую работу при сжатии 220 кг/ч газа.
Решение. Для решения задачи параметры диоксида углерода в его начальном
и конечном состояниях находят по приложению 4. Схема построений изобра­
жена на рис. 1-14.
При давлении диоксида углерода р 1 = 0,1 М Па и температуре ty = 3°С
его энтальпия hi = 713 к Д ж /к г и энтропия si = 5,9 кД ж /(к г К ), (точка 1,
рис. 1-14)
Идеальный процесс адиабатного сжатия происходит при s — const. При
s2 = s, = 5 ,9 к Д ж /(к гК ) и р -2 = 0.4МПа, h2 = 796кД ж /кг, /2 = 100°С (точка 2,
рис. 1-14).
Для идеального адиабатного процесса располагаемая работа рассчитывается
по уравнению (1.25):
1ш = - ( ' 96 - 713) = “ 83 кД ж /кг.
Знак минус указывает на то, что работа затрачивается.
Для 220 кг/ч газа:
L p = 220 - (-8 3) = -18260 кД ж /ч = -5,1 кВт.
Пример 1.14. Определить, до какого значения понизится температура воздуха
при идеоііьном адиабатном расширении, и какая располагаемая работа при этом
будет получена. Начагьное давление воздуха 20 МПа, температура 27 °С. Конечное
давление 0,1 МПа.
Решение. Для решения задачи параметры воздуха в его начальном и конеч­
ном состояниях находят по приложению 6. Схема построений изображена на
рис. 1-15.
О сновы техн ической терм од и н ам и к и
Г
Һ, /
Т
Рис. 1-15. Изображение адиабатного
расширения в Г меру 1.14).
я координатах (к при­
■v’
27
Т
Рис. 1-16. Изображение политропно­
го сжатия
в
T-
s координатах (к при­
меру 1.15).
При давлении воздуха p t = 20 МПа и температуре Гі = 27 + 273 = 300К его
энтальпия h 1 = 476 к Д ж /к г и энтропия «і = 2 .2 2 кД ж /(кгК ), (точка 1, рис. 1-15).
Идеальный процесс адиабатного расширения происходит при s = const.
При
= si = 2.22кДж/(кг-К) и р2 = 0.1 МПа, h = 268кДж/кг, Т? = 82К
(точка 2, рис. 1-15).
В идеальном адиабатном процессе располагаемая работа рассчитывается по
уравнению (1.25)
= -(268 - 476) = 208 кД ж /кг.
Эта работа может быть получена при расширении газа, она обычно назы­
вается технической работой.
Пример 1.15. IOOa-v/v воздуха политропно сжинается от давления 0,1 МПа до
давления А МПа. Температура воздуха до сжатия 20°С, после сжатия 50°С.
Опреде.іить работу сжатия, располагаемую работу, количество отводимой теп­
лоты и изменение внутренней энергии воздуха.
Решение. Для решения задачи параметры воздуха в его начальном и конеч­
ном состояниях находят по приложению 6. Схема построений изображена на
рис. 1-16.
Воздух в рассматриваемых условиях можно считать идеальным газом.
Удельная газовая постоянная для воздуха Я = 287кДж/(кг К) (см. прил. 10).
Удельные объемы воздуха до и после сжатия рассчитываются из уравнения
(1.3):
274 4- 20
v2 = 287 ---------- =- = 0,023 м3/кг.
4 10е
28
❖
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ ОДИН АМ ИКА И ТЕП ЛО ТЕХ Н И КА
❖
Глава!
Показатель политропы процесса рассчитывается по уравнению (1.37):
1„М
, 0.023
= 1,02.
lnw
Удельная работа сжатия газа в процессе рассчитывается по уравнению
(1.40):
1,02-1
1
1,021 0,1 ■0,8 Ш
""
-
1
= -0,315 М Дж = -315 кДж
L ” = тп-Т' = 100 • (-315) = -3,15 ■104 кД ж /ч = -8,75 кВт.
Знак минус показывает, что работа затрачивается.
Располагаемая работа, затрачиваемая в этом процессе, рассчитывается из
уравнения (1.41):
Р = п Г = 1,02 • (-315) = -321 кД ж /кг.
Lp = ш ■1Р = 100 • (-321) = -3,21 ■104 кД ж /ч = -8,92 кВт.
Количество теплоты политропного процесса может быть определено с по­
мощью T - s диаграммы воздуха (процесс 1—2, рис. 1-16). Энтропия воздуха
si = 3,77кД ж Д кг • К ); s2 = 2,81 к Д ж /(к г К). Удельный расход теплоты рассчи­
тывается по уравнению (1.43):
9 = (273 + 20) +Ç273+_50)
(ад1 _ ^
= _ 2д6
Знак минус указывает на то, что теплота в рассчитываемом процессе отво­
дится. Общее количество отводимой теплоты:
Q = mq = 100 • (-296) = -2,96 ■104 кД ж /ч = -8,2 кВт.
Изменение удельной внутренней энергии воздуха в результате сжатия рас­
считывается из уравнения (1.11)
A u = q - Г = -296 + 315 = 19 кД ж /кг.
A u = ni ■A u = 100 • 19 = 1900кД ж /ч = 0,528кВт.
1.5. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ ПОТОКА
Движущееся по какому-либо каналу рабочее тело образует поток. Для
потока вещества кроме изменения внутренней энергии происходит измене­
ние его кинетической энергии w dw , потенциальной gdZ , где w — скорость
потока, g — ускорение силы тяжести, Z — геометрическая высота. Работа
складывается из работы проталкивания, рассчитываемой по формуле (1.7),
Г р = p(dv)\ технической работы /тех, производимой какими-либо механизмами,
О сновы техн ическ ой терм од и нам ик и
Ф
29
или. например, электромагнитными силами; и работы трения /ф. В результате
получается уравнение потока;
Sq= wdie+gdZ+du+d(pv) +Slr„ +<5(Tp.
(1 .51 )
Так как согласно уравнению (1.1) в дифференциальной форме
du + d(pv) = dh,
то
Sq = wdw + g d Z + dh + Slnx +Slip.
Или в интегральном виде:
2
2
Я — 2 2 ~ + 9 ( ^ 2 — Z i) + {U2 —Ui) + (j?s«2 - P ll’l) + (тех + Ің>-
Я—
2— ^
+ я№ 2 —2 ]) + (/і2 —/»і) + (тех + ітр-
(1.52)
( 1.53)
(1.54)
Теплота к потоку может подводиться извне, Sqm , и в результате трения
потока о стенки канала, Sq^, т. е. йд = й<?„„ + 5gTр. Для преодоления сил трения
затрачивается работа <5/,р = Sq^, тогда
Sqm = wdw + gdZ + dh + 6lm
(1.55)
Рассмотрим некоторые частные случаи при движении рабочего тела по
каналу.
Для потока, не совершаюшего технической работы, т.е. Ипх = 0, при
отсутствии внешнего подвода теплоты, т.е. SqBH = 0, в случае несжимаемой
жидкости, т.е. dv = 0, пренебрегая трением, т.е.
= 61^ = 0, уравнение
(1.51) преобразуется к виду:
О= и>dw + g dZ + du + d[pv).
В рассматриваемом случае du = 0. так как в уравнении (1.6) àq = 0 и dv = 0;
d(pv) = vd p , так как pdv = 0, следовательно
0 = u 1dw + g dZ + i1dp.
После интегрирования этого уравнения с учетом того, что v = 1/р, где р —
плотность жидкости, получается
^-—- + p g Z i + p i ~ ^ ^ + pgZ-2+p2.
(1.56)
Уравнение ( 1.56), представляющее собой запись первого закона термодина­
мики для обратимого адиабатного потока несжимаемой жидкости, носит назва­
ние уравнение Бернулли. Это уравнение широко используется в гидродинамике,
где оно выводится из уравнений движения Эйлера.
Для потока, не совершаюшего технической работы, т.е. 61кх = 0, не меня­
ющего своей высоты, т.е. dZ = 0, в случае адиабатного течения, т.е Sqm - 0,
уравнение (1.55) преобразуется к виду:
—dh = wdu>.
( 1-57)
30
❖
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ ОДИН АМ ИКА И ТЕП Л О Т ЕХ Н И К А
❖
Глава!
В этом уравнении dh называется адиабатным теплоперепадом. После ин­
тегрирования уравнения (1.57) можно получить скорость потока на выходе из
системы
w2 = [2(Л, - h 2) + w \} a 5 .
(1.58)
В случае 61тех = 0, dZ = 0 и отсутствия трения Sqw = 6lTp = 0, учитывая,
что Sq = du + pdv, d(pv = p d v + vdp), преобразуя уравнение (1.5!) и вспомнив
уравнение ( 1.8 ), получим
w dw = —v dp = 6lp.
(1.59)
Таким образом, при изменении скорости потока изменяется его давление,
т.е. кинетическая энергия преобразуется в энергию давления. И наоборот:
энергия давления может быть преобразована в кинетическую энергию. С ко­
рость потока в конце процесса:
Р2
W2 =
(1.60)
при U = const и U)1 <g Î0 2
w2 = [2v(jpi - Р г ) ]0,5.
(1.61)
В том случае, когда д7тех = 0, dZ = 0, 6lTv = Sqw = 0 и 6qm = 0, т.е. 6q = 0,
справедливы уравнения (1.57) и (1.59):
- d h = w dw = —v dp = ôlp.
( 1.62)
Пример 1.16. По трубопроводу течет воздух, его расход 5 кг/с. В начале трубо­
провода, расположенном на высоте 40 м, удельная энтальпия воздуха 283 кДж /кг,
скорость 50м /с. В конце трубопровода, расположенном на высоте 10м, удельная
энтальпия воздуха 300 кДж /кг, скорость 15 м /с. Трубопровод обогревается, воздух
получает при этом теплоту в количестве 30 кВт. Определить техническую рабо­
ту, пренебрегая трением.
Решение. Удельная техническая работа рассчитывается из первого закона
термодинамики для потока вещества, уравнение (1.54), учитывая уравнение
(1.1). Для всего потока вещества техническая работа:
2_ 2
q—
—ff ( ^ 2 — Z i) —
— hi)
[
Г
152 - 502
1
L m = 5 30 • 103 -------------------9,8(10 - 40) - (300 - 283) ■103 = 72,2 ■103 Вт.
Знак плюс указывает на то, что работа отводится от потока при его движении.
1.5.1. Истечение из суживающегося канала. Сопло. Диффузор
Рассмотрим пример течения адиабатного потока через суживающийся ка­
нал (рис. 1-17). В этом случае площадь сечения канала уменьшается df < 0,
О сновы техн ическ ой терм од и нам ик и
❖
31
давление уменьшается dp < 0, скорость увеличивается dw » о, причем w2 > u 'i,
техническая работа не совершается dlKX = 0, геометрическая высота потока не
меняется dZ = 0. Уравнение (1.60) принимает вид:
vdp
(1.63)
Из уравнения (1.27) адиабатного процесса: v = іч(рг/рУ * ; подставив это
выражение в уравнение (1.63) и проинтегрировав, получим скорость потока
при истечении через суживающийся канал:
*-i -
и". = 2•к - 1 14Pi
(1.64)
-(s)
Согласно уравнению сплошности, массовый расход вещества в потоке
постоянен и может быть, в частности, рассчитан через параметры потока
в его узком сечении т =
2 . Подставим в это выражение скорость ш2
из уравнения (1.64) и удельный объем
из уравнения адиабатного процесса
(1.27). После преобразования получим массовый расход вещества потока при
истечении через суживающийся канал:
т = h {2
к- 1
[(£ )'-й Г
(1.65)
Эта зависимость носит экстремальный характер, так как m = 0 при р? = pi
и при /*2 = 0 . Для определения максимального расхода mmax и максимальной
скорости а’пих возьмем производную от выражения в квадратных скобках урав­
нения (1.65) и приравняем ее к нулю. Получим, что т = rnm3X, «’2 = u max при
Р2_ Г 2
pi
(1.66)
U+ij
Это соотношение дамений называют критическим:
(?)
\ Р 1 / КП = 4 р -
Для идеальных одноатомных газов, когда к = 1.4,
= 0,53, для двух­
атомных, когда к = 1,3, дКр = 0,55. Давление и скорость при т = mmax также
называют критическими. Подставив выражение (1.66) в уравнение (1.64) и вос­
пользовавшись уравнением адиабаты (1.27), получим:
к
^ ]0-5=
= [fcp
[кркpi'«pi0,s.
(1.67)
В случае течения через канал потока идеального газа, когда pv = R T , т.е.
Ркр1’кр = RTKр,
Шкр = (/гЯГкр)0'5.
(1.68)
32
❖
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ ОДИН АМ ИКА И ТЕП Л О Т ЕХ Н И К А
❖
Глава 1
Полученное выражение (1.68) является формулой Лапласа для скорости
звука. Таким образом, критическая скорость потока в данном сечении канала
равна местной скорости звука в этом канале, т. е.
Шкр = а = ( « г г ,* ) 0-5.
(1.69)
Теоретически после достижения своих максимумов скорость и расход
вещества, согласно уравнениям (1.64) и
(1.65), должны уменьшаться при умень­
1Wl
шении соотношений давлений (см.
Pu vu Ti
рис. 1-176, штрихпунктирная кривая),
однако на практике скорость и расход
Р2J' Lw2
вещества остаются постоянными и рав­
ными максимуму (рис. 1-17б, сплошная
кривая). Это расхождение теории с дей­
ствительностью объясняется тем, что,
при Р2 /Р 1 < Зкр, непосредственно на
выходе из суживающегося канала уста­
навливается постоянное давление ркр =
= Pi х Ркр, независимо от давления р2 ,
существующего за пределами канала.
Этому постоянному давлению р ^ , есте­
ственно, будет отвечать и постоянный
расход вещества, равный максимально­
му значению mmax. Таким образом, по­
ка в суживающемся канале давление
падает от р\ до р 2 = Ркр, скорость потока
растет от нуля до W2 = а, что приводит
Рис. 1-17. Истечение из суживающегося
к увеличению расхода вещества от нуля
канала:
- схема истечения;
- зависи­
a
а
б
мость массового расхода газа в канале от
соотношения давлений.
Д О Ш т ах-
Дальнейшее падение давления Р2 за
пределами канала от р^, до нуля не при­
водит к увеличению скорости и изменению расхода, т.е. происходит поте­
ря потенциальной энергии потока, которая не превращается в кинетическую
энергию.
При интегрировании уравнения (1.62) от р\ до р^ = ркрі
Ркр
Г
j - v d p = һкр - hi =
0
0
- W7
----- .
Р\
При дальнейшем интегрировании от Ркр до р2 < Ркр, в связи с тем, что
давление практически не меняется непосредственно на выходе из канала, т.е.
действительное dp = 0, скорость и расход вещества не изменяются.
Чтобы использовать полностью перепад давлений от р\ до р? < рщ> для
роста скорости выше критической, канал после достижения потоком критиче-
О сновы технической терм од и нам ики
О
33
скоп скорости должен стать расширяющимся. Такой канал называется соплом
Лаваля (рис. 1-18).
Соп-ю — канал, применяемый для ускорения потока (dw > 0) за счет
превращения энергии сжатого газа (dp < 0) в ки ­
нетическую энергию. При дозвуковых скоростях
сопло — сужающийся канал, при сверхзвуко- р
вых — расширяющийся.
Канал, применяемый для торможения потока
(dw < 0) за счет превращения кинетической энер­
гии потока в потенциальную энергию сжатого w
газа {dp > 0) называется диффузором.
При дозвуковых скоростях диффузор — рас- а
ширяющийся канал, при сверхзвуковых — сужа­
ющийся.
Расширяющиеся и сужающиеся каналы при- Рис. 1-18. Сопло Лаваля и расменяются в турбинах, турбонасосах и турбо- пределение скорости потока по
компрессорах, в детандерах, в струйных насосах длине сопла
и компрессорах. По вышеприведенным форму­
лам рассчитывают предохранительные клапаны и взрывные мембраны аппара­
тов, вводя поправочный коэффициент, учитывающий трение в действительных
условиях. Даже при незначительных перепадах давлений (см. ур. I.66) истече­
ние среды из аппаратов и трубопроводов через неплотности, свищи, отверстия
и т. п. происходит при звуковых скоростях (также как и натекание в вакуумные
системы), что ведет к существенным потерям веществ и возможному при этом
загрязнению окружающей среды. Об истечении со звуковой скоростью можно
судить по сопровождающему такое истечение звуку (свисту, шипению и т.п.)
Пример 1.17. Рассчитать проходное сечение предохранительной мембраны, уста­
новленной на реакционном аппарате, в котором кипит водный раствор. В аппарат
подается острый водяной пар через регулирующий к.іапан. Проходное сечение кла­
пана 50мм. Давление пара до ыапана р„ = 0.3 МПа, температура t„ = 190°С.
Аппарат работает под давлением ра = 0.12 МПа. Максимально допустимое дав­
ление в аппарате р„ = 0,15 МПа. Показатель адиабаты водяного пара к = 1,135.
Задачу решить аналитически и графически.
Решение.
I.
Ана^штическиирасчет.
1.1. Аварийный поток водяного пара.
При отказе регулятора давления в аппарат будет поступать аварийный поток
водяного пара. Для решения задачи необходимо определить режим истечения.
Критическое соотношение давлений для насыщенного водяного пара рассчи­
тывается по уравнению (1.66):
1.135
г-4675
34
О
ТЕХН ИЧЕСКА Я ТЕРМ ОДИН АМ ИКА И Т Е П Л О Т ЕХ Н И К А
❖
Г лава 1
Соотношение давлений при аварии регулирующего клапана
Р» _ ° '12 - Q ,
Рп " 0,30 " '
3
Ңкр'
Следовательно, режим истечения сверхкритический и расчет ведется по
соотношению давлений pa/pi = &ф = 0,577.
Клапан пара диаметром d = 50 мм имеет площадь проходного сечения
/ = ^ = 3 , 1_ 4 .(0 ,0 5 /= 1 Э6 ш , з мз
При рп = 0,3 МПа и /„ = 190°С удельный объем водяного пара сп =
= 0,70 м3/ к г (см. прил. 3)
Аварийный приток пара в аппарат при отказе регулятора давления рассчи­
тывается по уравнению (1.65):
m = 1,96- 10“ 3
т = 0,82 кг/с.
1.2. Расчет размера предохранительной мембраны.
Этот аварийный приток пара должен сбрасываться через разорвавшую­
ся предохранительную мембрану. Давление срабатывания мембраны ри =
= 0,15 МПа. Давление пара после мембраны атмосферное, т.е. рати = 0,1 МПа.
Перепад давлений на сбросном отверстии при истечении из аппарата через
мембрану в атмосферу
—
Рм = ~
0,15 = °'667> &р = °’577'
Следовательно, режим истечения пара через сбросное отверстие мембраны
будет докритическим, и расчет ведут по соотношению давлений, равному 0,667.
При давлении рм = 0,15 МПа удельный объем насыщенного водяного пара
i 'm = 1,1См3/к г (см. прил. 2).
Площадь проходного сечения сбросного отверстия мембраны / м рассчиты­
вается из уравнения (1.65), н о с запасом: например, принимается коэффициент
расхода через мембрану 0,0, тогда аварийный приток пара, уходящий через
мембрану:
,Ш - Л м {2 ш г Ъ
о 1 5 . 10°
1,16
Г
-2 '. ‘ЗН !.'0 , 6 7 7 ^ - 0 , 6 7 7 1■136
/ м = 0,0061 м2.
Отсюда диаметр проходного сечения мембраны:
0,00614
‘ V'8= 0,09 м.
3,14 /
2
Графическоерешение.
Скорость пара при аварийном истечении через клапан рассчитывается по
О сновы техн ическ ой т ерм од и н ам и к и
уравнению (1.58), пренебрегая скоро­
стью до клапана. В принятых в данной
задаче обозначениях:
^
35
Л„
и1— [2(ЛП —Лкр)]
где h„ — энтальпия пара при давлении
рп - 0.3МПа и температуре >п = 190°С,
Лп = 2845 103Д ж /к г (точка /, см. прил. 5
и схему построений на рис. 1-19): Лкр —
энтальпия пара при критическом давле­
нии, Ркр = -\р ' Рп ■
.г = 1
Ркр = 0.577 • 0.3 = 0,173 М Па
Рис. 1-19. Изображение адиабатных про­
Для определения һкг строят процесс
цессов истечения из отверстий в Л - я
истечения пара (рис. 1-19) на диаграмме
координатах (к примеру 1.17).
от точки 1 с параметрами р„ и Л, по
линии постоянной энтропии до давле­
ния ркр (точка 2 на рис. 1-19), находят hwv = 2736 ■10’ Д ж /кг, г кр = 1.15м3/к г
(см. прил. 5).
«■ = [2(2845 - 2736) • 103)0'5 = 467 м/с.
Аварийный расход пара через клапан т = t r f/ г кр,
с_ 1.96 10
т = 467
1.15
= 0,80
кг/с.
что практически совпадает с расчетом по формуле на стр. 34.
При сбросе аварийного притока пара через разорвавшуюся мембрану ско­
рость истечения рассчитывается по той же формуле ( 1.58). но с другими зна­
чениями величин:
= [2(ЛМ- Латм))0 5.
где һм — энтальпия насыщенного пара при срабатывании мембраны, т.е. при
давлении рм = 0,15 МПа,
= 2694- 103Д ж /кг (точка 3 на рис. 1-19 и прил. 5):
ham — энтальпия влажного пара при атмосферном давлении рагм = 0.1 МПа.
Для определения /іап, строят процесс истечения пара на диаграмме (прил.5)
от точки 3 для насыщенного пара при давлении р„ = 0,15 МПа по линии
постоянной энтропии до давления ратм (точка 4 на рис. 1-19). находят Лагч =
= 2624 • 103 Д ж /кг, г атм = 1,7 м3/к г . тогда
= [2(2694 - 2624) - 103]0'5 = 374 м/с.
Необходимая площадь сечения мембраны
/« =
374 • 0,6
36
❖
Т Е Х Н И Ч Е С К А Я Т Е Р М О Д И Н А М И К А II Т Е П Л О Т Е Х Н И К А
❖
Г лава!
Отсюда диаметр проходного сечения мембраны:
( 4/м \ 0,5
=
Л
0,0061 \ 0'5
= (4'т т г )
„
=0’09м’
что совпадает с расчетом по формуле на стр. 34.
Пример 1.18. Определить теоретическое значение скорости истечения и расход
воздуха, вытекающего в атмосферу из трубопровода через отверстие диаметром
5 мм. Избыточное давление воздуха в трубопроводе 0,2 • 105 Па, температура
220°С, атмосферное давление 75&ммрт.ст.
Решение. Для приближенной оценки потерь воздуха через отверстие в тру­
бопроводе будем считать это отверстие соплом. Абсолютное давление воздуха
в трубопроводе:
Pi = 0,2 • 105 + 758 • 133,3 = 1,21 • 10s Па.
Отношение давлений при истечении:
^
7 5 8 ^ = 0,835,
Pi
1,21 • 105
где р2 — давление среды, в которую происходит истечение, Па.
Критическое отношение давлений рассчитывается по уравнению (1.66), где
показатель адиабаты для воздуха к = 1,40 (прил. 10):
1,40
1,40-1
= 0,528.
f[ 1,402+ 1J1
=
VPl/кр
Р2 /Р 1 > (рг/ріікр, следовательно, истечение происходит при скорости газа
меньше критической, перепад давлений будет использован полностью. Воздух
при температуре 20 °С является идеальным газом,поэтому pivi = Ю \ , где удель­
ная газовая постоянная для воздуха Я = 287Дж /(кг-К) (прил. 10); температура
воздуха Ti = 273 + 20 = 293К,
Скорость истечения рассчитывается по уравнению ( 1.64):
Г
1,40
Г
M-Q-.U Ч°'5
w2 = j 2 • ■—
ү • 287 ■293 • I l - 0,835 1 10 j
=172 м/с.
Площадь сечения отверстия:
/ = ^7гd2 =
3,_14.0,00^=1Э 6
_ 3
f ~ ~Г
4 ~~
4
Объемный расход воздуха через отверстие
10_6м2
V = f w 2 - 19,6 • 10“ 6 ■172 = 3,37 ■Н Г 3 мл/с = 12 м:!/ч.
Реальный расход газа через отверстие (а не через сопло) будет несколько
меньше из-за потери энергии на трение об острые кромки отверстия и зави­
хрений при входе в отверстие.
Однако истечение даже через отверстие диаметром 5 мм со скоростью мень­
ше звуковой приводит к значительным потерям вещества.
Основы технической термодинамики
❖
37
1.6. ВТОРОЙ ЗАКО Н ТЕРМОДИНАМИКИ
Все реальные процессы, согласно второму закону термодинамики, являют­
ся неравновесными и необратимыми. Причинами необратимости являются:
1 ) наличие в рабочем теле градиентов давления, плотности, температуры
и других параметров, на компенсацию которых расходуется энергия, следова­
тельно возрастает энтропия системы;
2 ) наличие внешнего трения рабочего тела с окружающей средой, на пре­
одоление которого тратится энергия, следовательно, возрастает энтропия си­
стемы;
3) возрастание энтропии системы при передаче теплоты от рабочего тела
с большей температурой к рабочему телу с меньшей температурой: при теп­
лопередаче энтропия горячего тела уменьшается на величину dst = -5 q r/T r ,
а энтропия холодного тела возрастает на величину Ssx = Й9 ,/Г х.
При отсутствии тепловых потерь передаваемая теплота 6qT = 6qx = 6q. Суммар­
ное изменение энтропии системы
т. к. температура горячего тела Г, всегда больше температуры холодного тела
Г*.
Таким образом, увеличение энтропии в реальных процессах по сравнению
с идеальными процессами является мерой необратимости реальных термоди­
намических процессов.
В термодинамике принято называть внутренней такую необратимость, ко­
торая обусловлена потерями энергии на компенсацию градиентов параметров
рабочего тела и на компенсацию трения рабочего тела с окружающей средой.
Все потери энергии в этих случаях называют потерей на трение, выражают
их в форме теплоты или работы и обозначают qw и /,р. Внешней называют
необратимость, обусловленную конечной разницей температур в процессе теп­
лообмена.
Т
Һ
Һ,
Һ2Д
hi
S1
82a
S
Si
S2a
S
Рис. 1-20. Теоретический 1—2 и действительный 1-2р, процессы при течении через сопло
в Л - в и Т - а координатах
38
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О ДИ Н АМ И КА II ТЕП Л О ТЕ Х Н И КА
❖
Г лава!
Рис. 1-21. Теоретический 1—2 и действительный 1 -2 д процессы при течении через
диффузор вЛ —s и Г —s координатах.
Рассмотрим отличие действительного процесса истечения от идеального.
Считаем по-прежнему процесс истечения адиабатным, т.е
= 0. одна­
ко. вследствие необратимости процесса, энтропия потока увеличивается из-за
ддтр > 0. Нарис. 1-20 и 1-21 изображены теоретический ( 2) и действительный
( 1—2а ) процессы в соплах и диффузорах.
Действительная скорость рабочего тела, достигаемая в соплах, рассчитыва­
ется по уравнению (1.58). пренебрегая u'i (так как и’2д > ич), и с подстановкой
действительной h2j вместо теоретической Һ2:
Ц’2л = [2 ( Л j - Л2д )]0-5,
так как
> Л2, то
< и-2, и-ол = іриъ, где ^ - скоростной коэффициент.
его значение зависит от формы канала и его обработки. Д ія шлифованных
и спрофилированных сопел ç — 0.95...0,98, а для цилиндрических необрабо­
танных ip = 0.9.
Удельный объем рабочего тела, получаемого после сжатия в диффузорах
больше теоретического іъд > t*>, так как действительная температура газа после
сжатия больше теоретической
> Т>. На рис. 1-20 и 1-21 в T - s координатах
штриховкой показаны величины <hp.
1.6.1. Дросселирование. Эффект Джоуля-Томсона
Рассмотрим более подробно частный случай движения рабочего тела
в потоке, описываемый уравнением (1.57). когда в канале имеется сужение
(рис. 1-22). В данном случае учтем наличие трения при преодолении потоком
сужения в канале. Параметры рабочего тела до и после сужения: ;>_> < р1,
следовательно r-> > vù
> si ■ так как ôçip = <S/Tр Ф 0 . Скорость потока до
и после сужения (но не в сужении) практически не меняется w-, = w i.
Тогда уравнение (1.58) приобретает вид:
Л3 =/>1-
(1.70)
38
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ Т Е Р М О Д И Н А М И КА И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А
❖
Г лава !
Рис. 1-21. Теоретический 1 - 2 и действительный 1~2а процессы при течении через
диффузор в h - s и T - s координатах.
Рассмотрим отличие действительного процесса истечения от идеального.
Считаем по-прежнему процесс истечения адиабатным, т.е Sqm = 0, одна­
ко, вследствие необратимости процесса, энтропия потока увеличивается из-за
diftp > 0. На рис. 1-20 и 1-21 изображены теоретический ( 1—2) и действительный
( I —2а) процессы в соплах и диффузорах.
Действительная скорость рабочего тела, достигаемая в соплах, рассчитыва­
ется по уравнению ( 1.58), пренебрегая ші (так как ш2я » и п ) , и с подстановкой
действительной һ?л вместо теоретической һ-2\
ги2я = [2 (Й! - /і 2д)]0’5,
так как /і2л > Л2, то ш2д < къ, и>2д = >pw2, где </> — скоростной коэффициент,
его значение зависит от формы канала и его обработки. Для шлифованных
и спрофилированных сопел <р = 0,95...0,98, а для цилиндрических необрабо­
танных Iр = 0,9.
Удельный объем рабочего тела, получаемого после сжатия в диффузорах
больше теоретического и2д > v >, так как действительная температура газа после
сжатия больше теоретической Т2л > Т2. На рис. 1-20 и 1-21 в T - s координатах
штриховкой показаны величины qw .
1.6.1. Дросселирование. Эффект Джоуля-Томсона
Рассмотрим более подробно частный случай движения рабочего тела
в потоке, описываемый уравнением (1.57), когда в канале имеется сужение
(рис. 1-22). В данном случае учтем наличие трения при преодолении потоком
сужения в канале. Параметры рабочего тела до и после сужения: р2 < рь
следовательно и2 > v i ;
так как <V;Ip = Stjp -ф 0. Скорость потока до
и после сужения (но не в сужении) практически не меняется w2 =
Тогда уравнение (1.58) приобретает вид:
h i = h i.
(1.70)
Основы технической термодинамики
^
39
Процесс, в котором рабочее тело проходит
через сужение в канале, понижает свое давление
без совершения работы и без отвода теплоты, при
этом энтальпия рабочего тела не изменяется, на­
зывается дросселированием. Выражение (І.70) на­
зывается уравнением дросселирования
Температура рабочего тела при дросселирова­ Рис. 1-22. Дросселирование ра­
бочего тепа через сужение в
нии может оставаться постоянной, увеличиваться
канале
или уменьшаться в зависимости от работы про­
талкивания. Если работа проталкивания не со­
вершается, т. е. р2 1'2 = р, I'!. то при һ , = Һ) внутренняя энергия не меняется п., =
= ui (см. уравнение (1.1)). следовательно Г. = 7\. что имеет место, в частности,
для идеальных газов. Если
> p i i’i , то и? < и, и Т2 < Т,. И наоборот, если
PiVj > P ll'l, то «2 > U1 И Ti > Т\.
Явление изменения температуры рабочего тела при адиабатном дроссе­
лировании называется эффектом Дж оуля — Томсона. При dT < 0 эффект
считается положительным, при dT > 0 эфффект считается отрицательным.
Температура, при которой dT = 0 называется температурой инверсии.
Соотношение dT/dp - а называется коэффициентом адиабатного дроссели­
рования. или коэффициентом Дж оуля — Томсона, или дифференциальным дроссель-эффектом. Интегральный дроссель-эффект есть изменение температуры
при изменении давления от р\ до j>-j
Р2
: - Г] = j
о dp.
(1-71)
Дросселирование используется для
изменения параметров рабочих тел. Пу­
тем дросселирования водяного пара сни­
жается его давление, следовательно,
и температура конденсации. На рис. 1-23
показано изменение параметров влажно­
го пара при дросселировании. Влажный
пар (точка 1) при дросселировании уве­
личивает степень сухости, может стать
насыщенным (точка 2) и даже перегре­
тым (точка 3).
В холодильных установках дроссели­
рование рабочего тела используется для
снижения его температуры (см. глава 4).
Дросселирование является типичным
необратимым процессом, в результате
Изображение процесса дрос­
селирования влажного пара в U- .« коор­
динатах.
Рис. 1-23.
40
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О ДИ Н АМ И КА И Т Е П Л О ТЕ Х Н И КА
❖
Глава I
которого энтропия рабочего тела возрастает без подвода теплоты. Дроссели­
рование приводит к потере располагаемой работы, так как давление рабочего
тела уменьшается, а работа не отводится.
Пример 1.19. Котельная вырабатывает насыщенный водяной пар давлением
1 МПа. Для обогрева аппаратов необходим пар давлением 300 кП а. Для снижения
давления пара производят его адиабатное дросселирование через вентиль. Опреде­
ли ть температуру пара после дросселирования.
Решение. Для решения задачи парамет­
ры водяного пара в его начальном и конеч­
ном состояниях находят по приложению 5.
Схема построений изображена на рис. ! -24.
Насыщенный пар давлением
=
=
ІМ П а (точка 1, рис. 1-24) имеет
удельную энтальпию /ц = 2777,0 кД ж /кг,
удельную энтропию si = 6 .6 к Д ж /(к г К );
температуру t\ = 179,88 °С (температура его
конденсации).
При адиабатном дросселировании эн­
тальпия вещества не меняется, следова­
тельно, после дросселирования энтальпия
h2 — h i = 2777,0 кД ж /кг-К , давление ръ =
= 300 кПа. На диаграмме водяного пара
по h2 и р2 строят точку 2, характеризу­
ющую свойства пара после дросселиро­
вания, находят sj = 7Д1 кД ж /кг-К , f 2 =
Рис. 1-24. Изображение дросселиро- _ jjjg o ç . Температура конденсации такого
вания насыщенного пара в h - s и <- s пара J33 54 oç
координатах (к примеру 1.19).
ш
2
г
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ
МЕТОД
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО
АНАЛИЗА
2.1. О СНО ВНЫ Е ПОНЯТИЯ
На проведение любого технологического процесса тре­
буются затраты энергии. Энергия может подводиться или
отводиться в форме теплоты и работы. От того, наскочько
полно используется подведенная энергия, зависит интен­
сивность и экономичность протекания процесса. Все виды
энергии можно разделить на две группы.
К первой относятся такие виды энергии, которые спо­
собны полностью переходить в любые другие виды энер­
гии. Это механическая (кинетическая и потенциальная),
электрическая, ядерная и другие. Энергии этого вида пе­
редаются от одного рабочего тела к другому в виде ра­
боты. Энтропия этих энергий равна нулю (т.е. они не
характеризуются энтропией). Подвод или отвод теплоты
к рабочему телу никак не сказывается на энергиях этого
вида. Преобразование этих энергий не зависит от парамет­
ров окружающей среды. Эти энергии можно суммировать.
Они не нуждаются в дополнительной характеристике для
сравнительных оценок.
Ко второй группе относятся такие виды энергии, ко­
торые не могут быть полностью преобразованы в любой
другой вид энергии. Это внутренняя энергия вещества,
связанная с хаотическим тепловым движением молекул,
энергия химических связей, энергия, передаваемая в виде
теплового потока. Изменение энергии этого вида связа­
но с тепловыми воздействиями. Условия преобраювания
этих энергий зависят от параметров окружающей среды:
чем меньше разность параметров среды и рабочего тела.
42
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМ О ДИ Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И КА
О
Главам
тем меньшая часть энергии может быть преобразована. В пределе, если па­
раметры рабочего тела в системе такие же как в окружающей среде, энер­
гия второго вида, годная к преобразованию, равна нулю. Непосредственное
суммирование энергий этого вида недопустимо. Для того чтобы сделать их
сопоставимыми, нужна некоторая единая мера, которой служит эксергия.
На необходимость и возможность нахождения такой меры указывал еще
в 1928 г. академик В.И. Вернадский. Термин «эксергия» был введен в 1956 г.
3. Рантом по предложению Р. Планка. Он состоит из двух частей: греческого
слова ergon — работа, сила, и приставки ех, означающей «из», «вне».
Эксергия Е , Д ж ; е. Д ж /к г — свойство термодинамической системы или по­
тока энергии, определяемое количеством работы, которое может быть получено
внешним приемником энергии при обратимом их взаимодействии с окружаю­
щей средой до установления полного равновесия.
Это понятие лежит в основе эксергетического метода анализа энергети­
ческого совершенства процессов. Эксергетический анализ позволяет не толь­
ко учитывать количество энергии, потребляемой и отдаваемой системой, но
и качество этой энергии, т.е. способность этой энергии быть превращенной
в полезную работу.
Необходимо четко различать понятия «энергия» и «эксергия». В то время
как энергия является одним из фундаментальных философских понятий, от­
ражающих объективные свойства материи, эксергия является термодинамиче­
ским понятием, введенным для удобства анализа термодинамических систем.
Это не значит, однако, что эксергия является чистой абстракцией. Наоборот,
она может иметь вполне реальное материальное и стоимостное выражение,
например, в виде массы топлива, которое необходимо сжечь для получения
единицы эксергии и стоимости этого топлива в рублях. Между тем энергия
часто не имеет никакой реальной стоимости (внутренняя энергия воздуха,
энергия солнечного излучения).
Согласно закону сохранения энергии, энергия не возникает и не исчезает,
она только переходит из одной формы в другую, т.е. всегда имеет значение
отличное от нуля. Эксергия же рабочего тела, наоборот, полностью исчезает
при достижении состояния равновесия рабочего тела с окружающей средой.
Энергия зависит только от параметров рабочего тела и не зависит от параметров
окружающей среды. Эксергия зависит как от параметров рабочего тела, так и от
параметров окружающей среды. Превратимость одних видов энергии в другие
ограничена, в том числе и в обратимых процессах. Для эксергии превратимость
одних видов в другие не ограничена для обратимых процессов.
Более полную и точную формулировку эксергии дал Я. Шаргут (Шаргут Я.,
Петела Р. Эксергия. — М.: Энергия, 1968. 279 с.]: «Эксергия материи является
максимальной работой, которую эта материя совершает в обратимом процессе
с окружающей средой в качестве источника даровых тепла и вещества, если
в конце этого процесса все участвующие в нем виды материи приходят в со­
Эксергетический метод термодинамического яначпза
❖
43
стояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей
среды».
Следует обратить внимание на то, что максимальная работа может быть
получена только в обратимом процессе. Такой процесс, например теплопе­
редачи. теоретически возможно осуществить при бесконечно малом перепаде
температур между источником тепла и его приемником. Все реальные процессы
теплопередачи происходят при конечной разности температур и, следователь­
но, являются необратимыми. Поэтому полученная в них работа будет меньше
максимально возможной. Однако для оценки полученной работы ее надо срав­
нивать с максимально возможной в данном процессе, т.е. с эксергией.
Так же следует обратить внимание на то, что процесс совершается с ис­
пользованием окружающей среды в качестве даровых источников теплоты
и вещества. Это значит, что максимальная работа может быть получена только
при взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой.
Под термином окружающая среда понимают равновесную часть окружения
термодинамической системы, параметры которой не меняются при энергетиче­
ском взаимодействии с термодинамической системой, и компоненты которой
находятся в полном равновесии. Окружающая среда характеризуется отсутстви­
ем каких-либо возможностей получения из нее работы любыми методами. Э к­
сергия может быть получена только из источников с параметрами, отличными
от параметров среды. Следовательно, эксергия окружающей среды всегда равна
нулю.
В дальнейшем параметры рабочего тела, равновесного с окружающей сре­
дой, будем обозначать Рое, Гое, (оо l’oc» Мос, ^оо ^ос*
В большинстве приведенных в данной книге расчетов принято )ж = 20 °С;
Рос = ЮОкПа.
Для промышленных установок в качестве окружающей среды принимают
окружающий их атмосферный воздух. Для установок, работающих на откры­
том воздухе, температура которого зависит от времени суток и времени года,
необходимо либо рассчитывать потери эксергии для различных периодов, ли­
бо брать какую-то усредненную температуру окружающей среды. Например,
летом при температуре + 2 0 °С эксергия воздуха с температурой + 2 0 °С равна
нулю; зимой же, при -2 0 °С, эксергия воздуха с температурой + 2и сС не равна
нулю. Это необходимо учитывать при расчете конвективных сушильных уста­
новок, вентиляции и прочих процессов, использующих наружный воздух.
Анализируемый объект необходимо мысленно выделить из окружающей
среды. Кроме анализируемого объекта и окружающей среды в анализе могут
участвовать и другие внешние объекты, с которыми данный объект может об­
мениваться потоками вещества и энергии так же, как и с окружающей средой.
Внешние объекты — источники и приемники энергии — характеризуются
тем, что в них хотя бы один из определяющих параметров отличается от
параметров окружающей среды.
44
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О ДИ Н АМ И КА И Т Е П Л О Т Е Х Н И КА
❖
Глава 2
ос
Рис. 2-1. Схема взаимодействия технической системы ТС с окружающей средой ос и
находящимися в ней объектами: ОБ1, ОБ2, ОБЗ - источники потоков вещества, теплоты,
работы; ОБ4, ОБ5, ОБ6 - приемники вещества, теплоты, работы.
Взаимодействие технической системы (ТС) с источниками и приемниками
энергии и вещества, а так же с окружающей средой (ос) представлены
схематически на рис. 2-1. Слева от системы показаны внешние объекты ОБ1.
ОБ2, ОБЗ, служащие источниками энергии, поступающей с материальными
потоками всех видов ^ 5 ^ , 0 теплотой £ Q ' и с работой £ V . Справа показаны
объекты ОБ4, ОБ5, ОБ 6 , служащие приемниками энергии материальных пото­
ков
Э/ ‘т , теплоты £ Q " и работы
L " . Каждый поток несет соответствующие
эксергии на входе: Y^E'm, ] Г
E't =
и на выходе: ^
££( ' =
= ЕЬ"Число источников и приемников может быть любым, и, в частности, неко­
торые из них могут отсутствовать.
Система так же может обмениваться веществом шос и теплотой Qoc с окру­
жающей средой ос, однако в этом случае нет переноса эксергии. Примером
использования веществ из окружающей среды является использование воды
и воздуха как сырья. Отводить поток вещества, равновесного с окружающей
средой, целесообразно лишь в том случае, когда он представляет собой отход
производства. В этом случае нет вредных экологических последствий, так же
как при отводе теплоты Q0с- Именно к такой цели стремятся разработчики
безотходных производств.
Для каждой технологической системы можно составить материальный,
энергетический (тепловой) и эксергетической балансы.
М атериальный баланс:
^
т ' + т 'ж = ^
т " + Дш,
( 2 . 1)
где £ т ' ,
т " — сумма материальных потоков, входящих в систему и выходя­
щих из нее; т 'ж — поток веществ, поступающих из окружающей среды; А т —
изменение массы вещества в системе.
Энергетический баланс:
Y^Q'+ £ > ' =
+ $>" + Qoc,
(2.2)
Эксергетический метод термодинамического анализа
❖
45
где 52 Q' и Л Q" — сумма потоков теплот, входящих в систему и выходяших из
нее; $2 L' и
L " — сумма работ, подводимых к системе и получаемых от нее;
<?ос — теплота, отдаваемая в окружающую среду или получаемая из нее.
Если система обменивается с другими системами энергией только в форме
теплоты, то баланс принимает вид:
х ;<?'=Ес?"+<2ос,
такой бо-іанс называется тепловым
Уравнение потоков эксергии имеет вид неравенства;
+
+
к
+ЕК +Е Е<".
<2-3>
где Е'т и Е" — эксергии входящих в систему и выходящих из нее потоков
вешеств; £ ' и
— эксергии входящих в систему и выходящих из нее потоков
теплоты; Е[ и Е " — эксергии работ, подводимых к системе и получаемых от
нее, равные самой работе. Если обозначить £ Е'т + Ц , + Y. Е\ = ^ Е' и ]Г Е"п +
+ И Eq + £ Щ ' ~ Y. Е " , то в самом общем виде:
Чтобы это неравенство превратилось в тождество, необходимо к его правой
части добавить величину потерь эксергии £ Е), обусловленных необратимостью
процессов:
£ e' = £ e" + £ d .
(2.4)
В частном случае может быть £ Е " = 0, т.е. вся подведенная эксергия потеряна
в следствии необратимости процессов.
Потери эксергии можно подсчитать по уравнению Гюи — Стодолы :
=
А5-
где J] AS — изменение энтропий всех веществ, участвующих в процессе.
Потери эксергии означают ее полное исчезновение или, что тоже самое,
уничтожение или рассеивание, называемое дисси­
пацией (dissipation) эксергии.
Выражение вида (2.4) обычно называют эксергетическим балансом Эксергетический баланс
наглядно можно представить в виде диаграммы
Грассмана (рис. 2-2). На этой диаграмме каждый
поток эксергии изображается полосой, ширина Рис. 2-2. Диаграмма Грассмакоторой пропорциональна его величине. Потери на для потоков эксергии.
эксергии в технической системе ТС вследствие
необратимости протекающих в ней процессов показаны штриховкой.
С эксергией связано понятие «анергия•>. предложенное в 1962 г. Рантом.
В соответствии с его представлениями, энергию можно представить в виде сум­
мы двух составляющих. Одна из них — эксергия, которую можно превратить
в энергию любого другого вида. Другая составляющая не может быть превра­
щена в данных условиях в энергию другого вида, в том числе и в механическую
46
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О Д И Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И К А
❖
Глава 2
работу, она называется анергией. Понятие анергии помогает осознать тот факт,
что объективно существует такая энергия, которая в принципе неработоспо­
собна, и попытки организовать процесс, основанный на ее использовании,
бесполезны.
Эксергия всегда имеет определенную стоимость, и расходовать ее следует
по возможности экономно. Анергия же в окружающей среде имеется в неогра­
ниченном количестве, и ее ценность, т.е. возможность практического исполь­
зования, равна нулю.
Эффективность работы любой системы характеризуется коэффициентом
полезного действия , представляющим собой отношение полезного эффекта
к затратам. Однако для правильной оценки эффективности необходимо знать,
какие величины подставлять в числитель и знаменатель этого отношения. Для
оборудования, к которому подводится энергия первого вида, т.е. в виде работы
и отводится в той же форме, КП Д однозначно определяется отношением
L"
п =
И'
где L ' — затраченная работа; L " — полученная работа.
Для установок, к которым энергия подводится в форме теплового потока,
а отводится в форме работы, К П Д часто определяется также отношением
L"
71 ~ Q1'
где L " — полученная полезная работа; Q' — затраченная энергия в виде
теплоты.
Значительно сложнее определить КП Д в том случае, когда полезный эф­
фект получают в виде энергий двух видов, например теплоты Q " и работы L ".
Очень часто в числитель формулы для определения КП Д подставляют сумму
L " + Q " . Но энергии в форме теплоты и работы неравноценны, и определение
К П Д таким образом недопустимо. Так же недопустимо складывать значения
теплот, используемых при различных температурах. Затруднения исчезают,
если все виды энергии выразить через эксергию. Если полезно используются
все потоки выходящей энергии:
Если полезно используется только часть выходящих потоков эксергии, то
<2-5>
где
К ол ~ сумма полезноиспользуемых потоков эксергии.
Такой КП Д , /}е, называется эксергетическим коэффициентом полезного
действия.
Эксергетический метод термодинамического ана\иза
❖
47
В некоторых случаях целесообразно использовать «‘разностный» способ
определения эксергетического КПД. Если обозначить уменьшение всех вхо­
дящих эксергий через £ Л £ ', а возрастание эксергии получаемых продуктов
через 53 Д £ ", то выражение для i;e примет вид:
Эксергетический КП Д можно использовать для оценки работы самого раз­
нообразного энергетического и технологического оборудования. Чтобы соста­
вить эксергетический баланс и определить эксергетический КПД, необходимо:
правильно рассчитать входящие и выходящие потоки эксергии; определить,
какие потоки эксергии используются, а какие не используются, т.е. являются
сбросными; а также найти потери эксергии от необратимости процесса. Таким
образом, потерн эксергии возможны со сбросными потоками — внешние потери
эксергии, и от необратимости процессов — внутренние потери эксергии. Вну­
тренние потери в химико-технологической системе связаны с гидравлическими
сопротивлениями, тепло- и массообменом при конечных разностях температур
и концентраций. Потери теплоты через тепловую изоляцию, с выходящими из
системы продуктами, энергия которых не используется в системе (напрлмер,
с нагретой водой, отработанными газами), относятся к внешним. В том случае,
когда сбросные потоки обладают эксергией, отличной от нуля, они должны
рассматриваться как источники вторичных энергоресурсов (см. гл. 6 ).
Эксергетический анализ применяется для решения двух основных задач:
. установление максимальных термодинамических возможностей и вычис­
ление безвозвратных потерь эксергии в результате необратимости процес­
сов, обоснование рекомендаций по их совершенствованию;
• выявление сбросных потоков с эксергией, отличной от нуля, и воіможностей их использования.
В безотходных, экологически чистых производствах эксергии выбрасываемых
в окружающую среду веществ, тепловых потоков и потоков излучения равны
нулю.
2.2. ВИДЫ ЭКСЕРГИИ И ЕЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ
Для безэнтропийных энергий (механической, электрической, ядерной
и др.), а также для энергией, передаваемых в виде работы, эксергия равна
самой энергии, £ = Э, Е = L.
Эксергия энергий, характеризуемых энтропией (молекулярной, химиче­
ской), а также эксергия энергии, передаваемой в виде теплоты, подразделяется
на следующие виды:
• эксергия вещества в замкнутом объеме £,., Дж:
Д ж /кг;
• эксергия потока вещества £ , Дж или Вт; е, Д ж /кг;
48
❖
ТЕ Х Н И Ч Е С К А Я Т Е Р М О Д И Н А М И К А И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А
❖
Глава 2
• эксергия потока теплоты Е ч. Дж или Вт; е,, Д ж /кг;
« эксергия потока излучения £ и, Дж или Вт; еи, Д ж /м 2.
Эксергия вещества в замкнутом объеме и в потоке состоит из следующих
составляющих: термической <>г (зависящей от температуры), механической или
деформационной ер (зависящей от давления), реакционной ег (обусловленной
возможностью химических реакций между веществами системы и окружающей
среды) и концентрационной ес (зависящей от разности концентраций веществ
в системе и в окружающей среде).
Термическую и механическую составляющие обычно объединяют и называ­
ют термомеханической, термодеформационной, или физической. Реакционную
и концентрационную эксергии часто объединяют в химическую эксергию ет м ,
называемую также нулевой. Все виды и составляющие эксергии можно сум­
мировать, т.е. определять суммарное влияние отличий температуры, давления,
состава термодинамической системы от окружающей среды на работоспособ­
ность системы, а следовательно и К П Д происходящих в ней процессов.
2.2.1. Эксергия вещества в замкнутом объеме
Рассматривается вещество, заключенное в непроницаемую для него обо­
лочку, неподвижную по отношению к окружающей среде, но способную де­
формироваться и проводить теплоту. Эксергия вещества в за м кн у то м объеме,
е,., есть максимальная работа, которую может произвести вещество при пе­
реходе его от заданного состояния к нулевому, т.е. когда вещество приходит
в термодинамическое равновесие с окружающей средой.
Под «веществом» в данном случае понимается не только индивидуальной
вещество, но и смесь любых компонентов (в том числе и тех, которые могут
химически взаимодействовать при изменении состояния системы). Параметры
вещества системы в заданном состоянии обозначаются через и, s, h, р, v, T.
При полном равновесии как внутри системы, так и с окружающей средой, эти
параметры обозначаются иж , Sœ, hoc, Рос,
Гос.
В рассматриваемом случае обмен веществом через границы системы ис­
ключен, энергетическое взаимодействие системы и среды может проходить
только в двух формах — теплоты q (термическое взаимодействие) и работы /
(механическое взаимодействие).
Максимальная полезная работа, которую может совершить вещество в за­
мкнутом объеме, равна работе расширения (сжатия), Slv , за вычетом работы,
затрачиваемой веществом на преодоление давления окружающей среды в обра­
тимом процессе при рос = const
dev = Slv —Рос dv,
(2.6)
Из уравнения (].4) следует, что SI" = Sq - du. Подвод (отвод) теплоты Sq в окру­
жающую среду в обратимом процессе происходит при Тос = const, поэтому
Эксергетический метод термодинамического анализа
❖
49
из уравнения (1.2) следует, что 6 q = dq = Тж da. Подставив эти выражения
в уравнение (2.6), получим:
dev = Тж ris - du - рос dv.
(2.7)
Для процесса, завершающегося выравниванием соответствующих параметров
вещества и окружающей среды, т.е. после интегрирования от заданных пара­
метров вещества «, л, v до параметров вещества при равновесии его с окружа­
ющей средой иск, .foc. (’ос. выражение (2.7) примет вид:
f |' — Тос(Зос
(Woe “ и ) —Рос(*’ос ~ I')
или иначе
е» = (и - иж ) - Тж (я - soc) + рос(г - t'oc)-
(2.8)
Таким образом, е„ есть функция состояния рабочего тела, гак как однозначно
определяется параметрами состояния рабочего тела, если параметры окружа­
ющей среды заданы. Поскольку величины «ос, я,*, р пс, ск , Тж постоянны при
фиксированной окружающей среде, обозначим
«ос - Тж зж + рж чж = С ,
(2.9)
тогда
е„
= u —Tocs + рж і' + С.
Для всей массы m вещества, находящегося в замкнутом объеме:
Е „ = т е ,.
(2.10)
При расчетах, связанных с определением разности величин г, при переходе
системы из состояния 1 в состояние 2, значение величины С не меняется, тогда
Де„ = Ли - ТосДв + PocAv,
,2 -
е
(2.11)
e „ i = (и 2 - « г ) - TK ( s i - st ) + Poç(t>2 - t>i).
В процессе выравнивания параметров системы и среды внешний объект
всегда будет получать работу от рассматриваемой системы, т. е. е, всегда по­
ложительна и изменяется от 0 до х . Для получения работы может быть ис­
пользован тепловой поток между системой и окружающей средой. Характерно,
что в небольшом интервале от рос до р = 0 работа изменения объема системы
быстро растет, стремясь к бесконечности при р -» 0 , так как объем единицы
массы при этом стремится к бесконечности. Поэтому, например, небольшое
количество газа, находящегося в баллоне под вакуумом (р«рос). обладает очень
большой удельной эксергией е„.
Эксергия вешества в замкнутом объеме применима в химической техноло­
гии при расчете процессов в аппаратах и установках периодического действия,
когда рабочее вещество не выходит за границы рассматриваемой системы. В хи­
мических реакторах периодического действия необходимо к тому же учитывать
химическую эксергию, которая является для них основной.
50
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О Д И Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И К А
❖
Глава
2
Пример 2.1. В аппарате происходит процесс в ж ид кой среде при температуре
75 °С. Е м кость аппарата 5 м 3. А ппарат на 40% заполнен воздухом. Р ассчитать эксергию воздуха, если процесс происходит при давлении: 10 к П а; 100 кП а ; 1000 кП а.
Температуру окружающ ей среды принять toc = 20 °С; давление рж = 100 кП а.
Решение. При температуре 75 °С воздух можно считать идеальным газом,
газовая постоянная которого Я = 0,287 кД ж /(к г К) (см. прил. 10). Из уравнения
(1.3) удельный объем газа v - R T /p , где 7\ = Г2 = Т3 = 273+ 75 = 348 К; p i =
= Ю кПа; р2 = ЮОкПа; р3 = 1000кПа, тогда t>i = 287-348/(10-1000) = 9,988 м3 /к г ;
v2 = 0,999м3 /к г ; і >3 = 0,100м3 /к г. Тос = 273 + 20 = 293К ;
= ЮОкПа, voc =
= 0,841 м3 /к г.
Объем воздуха в аппарате V = 5 • 0,4 = 2 м3.
Масса воздуха, заполняющего аппарат m = V /v , тогда m \ = 2/9,988 =
= 0 .2 0 0 кг; т -2 = 2 ,0 0 2 кг; ш 3 = 2 0 ,0 0 0 кг.
При 75°С изохорная теплоемкость воздуха c t, = 0,7201 кД ж /(кг-К )
(см. прил. 9).
Эксергия вещества в замкнутом объеме рассчитывается по формуле (2.8)
с подстановкой в нее изменения внутренней энергии, рассчитанной по форму­
ле (1.44) и изменения энтропии по формуле (1.49)
е„ = cv(T - Гос) - Тос [с„ Ш ^ + Л In — 1 +poc{v - ьж ),
L
1 ос
^ос J
e„i = 0,7201(348 - 293) - 293 |0,7201 • In ^
ІУ о
+ 0,287 • In - 5 ^ 1 +
U )0 4 IJ J
+ 100(9,988 - 0,841) = 709.9 кД ж /кг,
e„2 = 4,63кДж/кг,
е„з = 108,3 кД ж /кг.
Эксергия всей массы воздуха, находящегося в аппарате, рассчитывается по
уравнению ( 2 . 1 0 ):
E v = me,
E v1 = 0,200 ■709,9 = 142,0 кДж,
Evг = 2,002 • 4,63 = 9,3 кДж,
E vз = 20,000 • 108,3 = 2166.0 кДж.
Таким образом, наибольшей удельной эксергией обладает воздух, находящийся
под вакуумом. Однако из-за малой массы воздуха в аппарате его общая экс­
ергия значительно меньше, чем в случае с избыточным давлением в аппарате
E v3^> E v l. Во всех случаях эксергия воздуха в аппарате положительна. Следова­
тельно, при выравнивании параметров системы и окружающей среды система
совершает (отдает) работу. Таким образом, если параметры вещества в системе
не равновесны с окружающей средой, такая система может быть потенциально
опасна для обслуживающего персонала.
Эксергетический метод термодинамического анализа
❖
51
Пример 1.2. По условию предыдущей задачи рассчитать эксергию воздуха в аппа­
рате, если давление в нем ЮОкПа, а температура - 3 5 °С.
Решение. Абсолютная температура воздуха Т = '273 - 35 = '238 К. Из уравне­
ния (1.3) удельный объем воздуха с = 287 • 238/(100 ■Ю3) = 0,683м3/к г . Масса
воздуха в аппарате m = V /v = 2/0,683 = 2,928 кг. При температуре воздуха -3 5 °С
и юкорная теплоемкость с, = 0,714!) к Д ж / к г (см. прил. 9).
Аналогично примеру 2.1:
р,. = 0.7149(238 - 293) - 293 [о,7149In — + 0.287In 9 ^ 1 +
[
293
0,841 J
+ 100(0,683 - 0,841) = 5,93 кД ж /кг
Е,. = 2.928 • 5,93 = 17.36 кДж
Эксергия системы осталась положительной,
В примере 2.2 в случае р = р.* = ЮОкПа и разнице температур Г - Тж = (273 - 35) - (273 + 20) = -5 5 К, удельная эксергия е,. = 5.93 кДж/кг.
В примере 2.1 в случае р = рж = ЮОкПа и разнице температур Т - Тж = (273 +
+ 75) - (273 + 20) = 55 К. удельная эксергия е,,2 = 4.63 кД ж/кг. Таким образом,
на охлаждение единицы массы вешества тратится больше эксергии, "ем на
ее нагревание на то же число кельвинов. Количество же теплоты, отведенной
при охлаждении, равно количеству теплоты, подведенной при нагревании (при
одинаковых массах и разности температур).
2.2.2. Эксергия вещества в потоке
Рассмотрим термомечаническую составляющую эксергии установившегося
потока с параметрами и, h, v. *, Т . р. Параметры, характеризующие состоя­
ние равновесия потока с окружающ ей средой. иж . һж , г,*, яж , Тж , рк . Для
определения эксергии вещества в п отоке требуется найти максимальную работу
при переходе его из данного состояния в состояние равновесия с окружающей
средой.
Функция эксергии потока е отличается от функции эксергии вешества
в замкнутом объеме е,. количеством работы, связанной с перемещением потока
вешества. Эта работа определяется по уравнению (1.7) после его интегрирова­
ния от р до рос при v = const:
l vp = + v(p - Рос).
тогда удельная эксергия потока вешества равна:
е = u - Uoc - Г « (* - Soc) + Рос(«» - «ос) + v(p - Рос),
е = и - Uoc - Toc(s - Soc t + P1' - Poct'oc-
Учитывая, что u + p v - h , получаем:
e = h - Лчс - Гос(« - «ос)
(2.12)
52
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О Д И Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И К А
❖
Глава 2
или в дифференциальной форме:
de = dh - Г,* ds.
Для всего потока вешества при его расходе т :
(2.13)
Е = те .
При расчетах, связанных с определением разности величин е при переходе из
состояния 1 в состояние 2
в2 —е\ =
—h i —Тж (з2 —s i)
(2.14)
или
Де=
АҺ
- ГосАз.
(2.15)
Для всего потока вещества:
АЕ —
тДе.
(2.16)
Функция е (так же как и е„) является функцией состояния рабочего тела,
поскольку ее величина однозначно определяется параметрами вешества. если
параметры окружающей среды заданы.
Эксергия потока вещества используется при анализе процессов в непре­
рывнодействующих аппаратах.
Эксергия потока вешества может принимать все вещественные значения
в интервале от -оо до +оо. Положительный знак е показывает, что энергия
передается от потока к окружающей среде. При отрицательном знаке энергия
передается от окружающей среды к потоку, т.е. самопроизвольный переход
вещества потока из данного состояния в состояние равновесия с окружающей
средой невозможен.
Подробное рассмотрение свойств функций ev и е, влияние на них значений
Рос и Гос, сравнение их с энергиями Гельмгольца и Гиббса см. в книге [3J.
Для идеального газа, разность энтальпий и энтропий которого может быть
рассчитана по уравнениям (1.45) и (1.46), формула эксергии вещества в потоке
принимает вид
е= ср(Г - Гос) - Гос fcpln~ —ЯIn—1.
L
^ ОС
Рос J
(2.17)
Для изотермного потока идеального газа, когда Г = Тгх:
е = Г к Я Іп — .
(2.18)
Рос
Эксергия вещества в потоке наиболее часто используется при расчете химико­
технологических систем. Ее можно рассчитывать по вышеприведенным фор­
мулам, пользуясь справочными данными теплофизических свойств веществ.
Эксергетический метод термодинамического анализа
❖
53
2.2.3. Диаграммы эксергии вещества в потоке
Д ля наиболее распространенных в технике веществ имеются Диаграммы
с готовыми значениями эксергии В зависимости от параметров, откладывае­
мых по осям координат, составляют самые ра знообра т ы е диаграммы, напри­
мер, Т - е\ р - е; е - а; е - h: е. s - h и др. Точка нулевого состояния — начало от­
счета величины е, определяется параметрами Гос и р,х (точка ОС па рисунках).
В зависимости от вешества эта точка может находиться в области газообразного
состояния, причем как ниже, так и выше критической температу ры Гк, а также
в области жидкого состояния На рис. 2-3 показаны в координатах Г - я возмож­
ные места расположения точки ОС. Состояние рис. 2-За характерно для возду­
ха, азота, кислорода, гелия и др. газов, когда 7К < Гос. Для пропана, бутана и др.
Тк > Гос, однако при Гос и рж вещества находится в газообразном состоянии —
рис. 2-36. Жидкое состояние при Тж и рж имеют вода, ртуть, четыреххлористый
углерод и др., для них нормальная температура кипения (при />, = рж ) Гт „ > Тж
(рис. 2-3#). Возможно состояние, когда Гнгк = Г * , тогда точка нулевого состоя­
ния вытягивается в л ин ию О С -О С , все состояния на которой имеют одинако­
вую нулевую эксергию, независимо от того, является ли вещество насыщенной
жидкостью, влажным паром или насыщенным сухим паром (рис. 2-3«’ ).
На практике для случая Тж > 7и т на диаграммах берут точку начала отсчета
по Г„с и рос (рис.2-3а и 2-36). В случае Г „т > Тж для удобства построения
диаграммы в качестве начала отсчета выбирают давление насыщения р, при Тж .
Расположение точек ОС нулевого состояния при рос и Тх для различных веществ
в координатах Т - s.
Рис. 2-3.
54
О
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О Д И Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И К А
О
Глава 2
Рис. 2-4. Схемы Л-6 диаграмм с нанесенными на них линиями е = const: а - при Гос > Тит*;
6 - При Гос = Т„„.
Э в с гр гл и ч гс м ій мегад гермодииамнческого анаміза
❖
55
Рис. 2-5. Схема е - һ диаграммы
Тогда случай, изображенный на рис. 2-Зв, сводится к случаю, изображенному
на рис. 2-Зг, при этом
= р, для Г * .
Вода — наиболее распространенное рабочее тело, как раз и относится к слу­
чаю, изображенному на рис.2-3е и 2-3.’. В окружающей среде вода существует
в виде жидкости при Тх = 293 К и /<lv = ЮОкПа, а также в виде пара в атмо­
сферном воздухе, когда при Г,к = '293 К давление насыщения паров воды р, =
= 2.337 кПа. На диаграммах для воды точку начала отсчета эксергии принимают
при Го. и давлении р = 2.337 кП а (17.53мм рт. ст.). Эксергии ж идкой воды при
Гос и давлениях ЮОкПа и 2.337кП а практически не отличаются одна от другой
и равны нулю, так как энтальпии и энтропии жидкости изменяются с темпера­
турой, но практически не зависят от давления (см., например, приложение 3).
Если на диаграммах Л-.< нанести линии f = const, то они будут представлять
собой семейство параллельных прямых, касательных к изобарам в точке их
пересечения с изотермой Г,*. На рис. 2-4 показаны схемы таких диаграмм
для случаев Тж > Ткп. (рис. 2-4а) и Тж = Г.іт* (рис. 2-4б). Выше л инии е = 0 расположены области положительных значений эксергии е > 0, ниже —
отрицательных < < 0.
Наиболее распространенная диаграмма с - һ представляет собой косоуголь­
ную модификацию h - к диаграммы, где ось энтропии наклонена влево от
вертикали на угол, при котором прямая окружающей среды, а следовательно,
и все прямые ғ = const располагаются горизонтально. Схемы расположения
координатных осей < - Һ диаграммы покаіаны на рис. 2-5.
В зависимости от фи зических свойств вещества расположение его диаграм­
мы в координатах t - h выглядит различно. На рис. 2-6 показаны внешние
виды диаграмм для двух вышерассмотренных случаев: рис.2-6а для веществ
аналогичных воздуху, когда Тж > Т „ к; рис. 2-Ь0 — аналогичных воде (аммиак,
большинство фреонов и др.), когда Г,пк ÿ Г * .
Диаграмма е - h позволяет определить для любого состояния вещества
составляющие эксергии потока, связанные с разностью как даалений (ер), так
и температур (<>, ) по отнош ению к окружающей среде. Нужное для опреде­
ления составляющих с,, и > / построение показано на рис. 2-7. Например, для
56
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О Д И Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И К А
❖
Глава 2
а
6
Рис. 2-6. Виды e—h диаграмм веществ с различными значениями Г*™: а - при Тх > Ги™;
6 - При Гос *5 Гкгк.
Эксергетический метод термодинамического ана\н ja
О
57
Рис. 2-7. Графическое определение составляющих эксергии ер и . г .
точки / величина e jr будет равна разности ординат точек 1 и 2 . получаемой
в процессе изменения температуры от Tt до Тж при постоянном давлении pi ;
величина ci,, равна разности ординат точек 2 и ОС, получаемой в процессе
изменения давления от рi до рж при постоянной температуре Тх Все состояния, соответствующие прямой ab, имеют одинаковую эксергию
f i. Поэтому обратимый переход из любого состояния на этой прямой в другое
состояние на этой прямой возможен без затраты работы (и без ее получения).
При этом только изменяется соотношение между ср и t r '. одна составляющая
эксергии, свя занная с Ар = р - рос. преобразуется в другую, связанную с Л Г =
= Г - Гос, или наоборот. В частности в точке 3 величина < г/ = 0 и е3 = е, = е3р.
В точке 4, напротив, г 4(, = 0. е4 = еi = е^тПри переходе из состояния /, например, в состояние 5, максимальная
работа, которая может быть получена от системы, равна ра зности г -, - <\ , а для
перевода системы из состояния 5 в состояние I необходимо затратить работу,
минимально равную разности et В реальных процессах необходимо учесть
потери эксергии.
Из диаграммы легко видеть, что всегда ет > 0; ер > О при р > рж , ер < 0 при
р < Рос. Например для точки 7 значение е7 = е7х - еур < 0.
Процессы преобразования одной составляющей эксергии в другую в п о ­
токе рабочего тела ш ироко используются в технике как при взаимодействии
нескольких потоков, так и в одном потоке. Примером первого процесса явля­
ется процесс в эжекторе (см. главу 3), где за счет уменьшения с [р одного потока
возрастает е2р другого потока при соответствующем изменении ет Примерами
второго процесса яаляктгся процессы дросселирования, а также расширения
с отдачей внешней работы, используемые в ни зкотемпературной технике, когда
58
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ Р М О Д И Н А М И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И К А
❖
Глава 2
за счет уменьшения ер увеличивается ет, связанная с охлаждением газа (см.
раздел 3.4 и рис. 3-32 —3-35).
Диаграмма e—h позволяет, таким образом, получать информацию о суммар­
ной работе обратимого перехода из одного состояния в другое, характеристики
взаимных преобразований одних составляющих эксергии в другие, а также
данные, необходимые для расчетов г)с различных процессов.
Диаграммы e—h строятся для фиксированного значения Тж . При изменении
Гос в значение е вносится поправка, рассчитываемая на основании формулы
(2.12), эта поправка линейно зависит от s. Иногда поправочные прямые нано­
сят на диаграмму е - Һ. Подробно этот материал изложен в книге [3J.
В приложениях 13-17 даны e~h диаграммы воды, воздуха, аммиака, диок­
сида углерода, фреона R - 12.
Пример 2.3. Рассчитать удельные потери эксергии при дросселировании насыщен­
ного водяного пара о т давления щ = 1 М П а до давления р 2 = 300 к Па.
Решение. Насыщенный водяной пар давлением pi = 1 МПа имеет удельную
энтальпию h i = 2777,0кД ж /к г и удельную энтропию st = 6,585 кД ж /(кг-К )
(см. прил. 2 ).
После дросселирования удельная энтальпия пара h2 = h i = 2777,0 кД ж /кг,
а давление р2 = 300 кПа, при этих параметрах удельная энтропия пара s2 =
= 7,110к Д ж /(кг-К ) (см. прил. 5 и пример 1.19).
При рос = ЮОкПа и «ос = 20°С: һж = 84,0кДж/кг, Soc = 0,296кД ж /(кг-К )
(см. прил. 3).
Удельные эксергии потока пара до дросселирования ei и после дроссели^
рования е2 рассчитываются по уравнению ( 2 . 12 )
е\ = (2777,0 - 84,0) - (273 + 20) ■(6,585 - 0,296) = 850,3 кД ж /кг.
е2 = (2777,0 - 84,0) - (273 + 20) • (7,110 - 0,296) = 696,5 кД ж /кг.
Значение величин ei и е2 можно найти на е - h диаграмме воды и водяного
пара (см. прил. 13) Изменение эксергии при дросселировании, когда ЛҺ = 0,
никак не используется, следовательно теряется:
d = Де = е2 - ei = 696,5 - 850,3 = -153,8 кД ж /кг,
что составляет
8Щ
' 100= 18%Следовательно, снижение давления пара от 1 МПа до 300кПа путем дроссели­
рования уменьшает его работоспособность на 18%.
2.2.4. Концентрационная эксергия потока вещества
Концентрационную составляющую эксергии потока вешества необходимо
учитывать в тех случаях, когда в самом потоке или при его взаимодействии
Эксергетический метод термодинамического анализа
❖
59
с окружающей средой происходят процессы разделения смесей или смешения.
Например в процессах смешения реагентов, растворения, перегонки, выпари­
вания, суш ки, кристаллизации, экстракции и т.д.
Коцентрационная эксергия потока вешества определяется максимальной ра­
ботой, которая может быть получена при
и Г,к в процессе выравнивания
концентрации его компонентов с их концентрацией в исходной смеси, или,
что то же самое, минимальной работой, которая необходима, чтобы извлечь
эти компоненты в данной концентрации при piv и Tttc из исходной смеси.
Это положение относится как к твердым растворам, так и к ж идким и га­
зообразным. Таким образом, подсчет концентрационной эксергии связан
с температурой и давлением веществ, а только с их составом. При этом химиче­
ские соединения рассматриваются ка к индивидуальные вещества, находящиеся
в растворе при определенной концентрации.
В общем случае, концентрационная эксергия ее каждого из потоков про­
дуктов разделения определяется по формуле ( 2 . 12 ) для термомеханической
эксергии потока, учитывается только мольная концентрация £, каждого ком ­
понента в исходной смеси и полученном продукте и мольная доля (, продукта
по отнош ению к исходной смеси.
не
ес =
- О К О - Гос] > > " £ ' - (.«:<'),
(2.19)
где
/<''£" - І і К І і ) ~ разность мольных энтальпий компонентов смеси после
изменения концентрации (т.е. в полученном продукте) и до изменения их
концентрации (т.е. в исходной смеси);
~
— соответствующая
разность энтропий;
и
— мольные концентрации каждого i компонента
в продукте и в исходной смеси; (, — мольная доля продукта по отнош ению
к исходной смеси.
Поскольку обратимый процесс, к которому относится формула (2.19), про­
Гос = const,
= const,
р,
текает при условии
рж
величина
равна разности между
суммарной энергией Гиббса продуктов разделения и исходной смеси, т.е. при­
ращению энергии Гиббса.
Рассмотрим частный случай расчета концентрационной эксергии газов
воздуха. Исходный поток (воздух) есть идеальный газ, состоящий из смеси
компонентов, каждый из которых в чистом виде также является идеальным
газом. Температуры исходного потока и получаемых компонентов постоянны
и равны температуре окружающ ей среды
= Т ' = Тж =
Процесс
выделения из потока исходного воздуха чистого газа представляет собой изо­
термическое сжатие при Тж . Эксергия теплоты такого процесса равна нулю,
т.е. первое слагаемое уравнения (2.19) равно нулю, тогда концентрационная
Г"
const.
эксергия любого компонента
= -Гос(8( - 6 о . ) = -ГосЛз,.
Давление исходного потока и давление каждого компонента после извле­
чения его из смеси равно давлению окружающ ей среды р " = рж . Давление
60
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМ О ДИН АМ ИКА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И КА
О
Глава
Ï
каждого компонента в исходном потоке пропорционально его мольной кон­
центрации р\ = pocÇi, тогда p'i'/p'i = 1 /Ç<Для идеальных газов при Г = const (см. формулу (1.48)
II
Дяі = —Ri In -4-.
Pi
В результате получаем:
eci =Tocfijlni.
(2.20)
Из формулы (2.20) следует, что концентрационная эксергия тем больше, чем
меньше мольная концентрация компонента в исходном потоке.
Расчет концентрационной эксергии показан в примере 2.13. Величина кон­
центрационной эксергии всегда положительна, так как для разделения смеси
надо затратить работу. Или иначе: после смешения энтропия системы больше,
чем сумма энтропий исходных компонентов.
Расчет концентрационных эксергий позволяет определять совершенство
соответствующих технологических процессов, показывая минимальное значе­
ние энергозатрат.
2.2.5. Реакционная эксергия потока вещества
Химическая технология невозможна без химических реакций. Для анализа
процессов, происходящих в химических реакторах, необходимо учитывать ре­
акционную эксергию входящих и выходящих потоков.
Общая формула (2.12) остается справедливой и в этом случае. Однако
при подсчете реакционной эксергии величины энтальпии и энтропии для
рассматриваемого состояния и для условий равновесия с окружающей сре­
дой относятся к разным веществам, поэтому для каждой из функций нужно
иметь одну точку начала отсчета. Здесь следует использовать методику подсчета
энтальпии и энтропии, разработанную в химической термодинамике. К тому
же при определении реакционной эксергии надо выбрать вещество отсчета,
содержащееся в окружающей среде, что является достаточно сложной задачей.
Для эксергетического анализа необходимо, чтобы вещества отсчета оставались
неизмененными как для веществ, поступающих в систему, так и выходящих из
нее. Считают, что эксергия веществ окружающей среды равна нулю. Такими
веществами служат продукты выветривания — высшие оксиды, карбонаты,
силикаты и т. п. Эти вещества называют девальвированными.
После выбора вещества отсчета производят расчет реакционной эксергии —
в данном случае максимальной работы изотермически-изобарной реакции де­
вальвации (обесценивания), в которой данное вещество превращается в веще­
ство отсчета. Полученная при этом работа будет мерой реакционной эксергии
ег вещества в том случае, если девальвация протекает обратимо при Гос и рж -
Эксергетический метод термодинамического анаміза
❖
61
Для проведения реакции девальвации часто необходимы дополнительные
вешества (одно или несколько), реакционную зксергию которых необходимо
также учитывать.
Пусть необходимо определить реакционную зксергию вешества А; В —
дополнительное вещество; С — вещество отсчета, содержащееся в окружающей
среде. Реакция девальвации:
«А + ЬВ = гС.
где о, Ь, с — стехиометрические отношения.
Реакционная эксергия вешества А
егА = -Л С А - егв.
(2.21)
гае Лб'л — стандартный цзобарно-изотермный потенциал (свободная энергия)
образования вещества А (энергия Гиббса); егв — реакционная эксергия допол­
нительного вещества В.
В химической термодинамике потенциалы образования простых веществ
приняты равными нулю.
В эксергетнческом анализе нулю равны реакционные эксергии чешести
окружающей среды.
2.2.6. Химическая эксергия элементов и соединений.
Изменение химической эксергии при химических
превращениях
Химическая эксергия <v„u включает в себя реакционную составляющую ег
и концентрационную составляющую <>. если вещество отсчета растворено до
определенной концентрации в окружающей среде:
f\nu=er+fc-
(2.22)
В таблице приложения 18 представлены значения химической эксергии эле­
ментов, рассчитанные относительно вешеств отсчета. Элементы группы Y на
практике получают из девальвированных вешеств. Эксергия таких элементов
равна обратимой минимальной работе их извлечения из девальвированного
вешества. Элементы группы Z на практике получают только из ценного (недевальвированного) сырья. Эксергия этих элементов равна получаемой макси­
мальной работе при их обратимой девальвации.
Используя данные таблицы 18, можно провести расчет химической эксер­
гии вешеств. Например для сложного вешества А,,ВьСг, где А, В. С — элементы;
а, Ь, с — стехиометрические коэффициенты, расчет ведется по уравнению:
ехим(А„В(,Сс) = - ДС' + асл + 6 f в + п ’с-
(2.23)
где AG — свободная энергия образовании вешества А,,В(,С, . при давлении рж
и температуре Тх ; еА. ' в. cç — эксергии соответствующих элементов.
62
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О ДИ Н АМ И КА И Т Е П Л О ТЕ Х Н И КА
❖
Глава 2
Обе составляющие химической эксергии веществ следует рассчитывать ло­
кально, т.е. применительно к условиям процессов, в ходе которых эти веще­
ства получаются и перерабатываются. В локальную окружаю щ ую среду должны
входить те вешества отсчета, до которых могут девальвироваться участвующие
в данном процессе элементы, а также те девальвированные вешества, из ко­
торых получают рассматриваемые элементы. Например, если очищенную воду
получают из морской воды, то локальная окружающая среда — морская вода;
если очищенную воду получают из речной воды — речная вода.
В том случае, когда вещества отсчета локальной окружающей среды не
совпадают с веществами отсчета, указанными в таблице приложения 18, хи­
мическую эксергию следует пересчитать. В таблице приложения 19 даны хи­
мические эксергии наиболее часто встречающихся сложных неорганических
веществ. Значения химической энергии и эксергии большого числа неоргани­
ческих вешеств (более 2000) и органических (около 1300) вешеств приведены
в книге [33).
Подробно методика расчета химической эксергии дана в книгах |3, 33, 45).
Для химической реакции
аА + ЬВ + . . . = сС + сID + . ..
изменение химической эксергии составит:
АЕхНМ= (сЕхим.С^г^'\имD+ -■•)—(°£'хнм.А ' ЬЕХнм.В* ...).
Входящие А. В— и выходящие С, D __ вещества химической реакции состоят
из одних и тех же химических элементов, поэтому в расчете их эксергии
сокращаются, тогда
Д£\им= —[сД(?с+ dAGf)+....] 4- [оЛ£?д+ 6AGb+ --•]
Д£*им = - £
ДСвых + J 2 л<3« -
(2.24)
Энергия Гиббса (энергия образования) для каждого вешества. участвующего
в реакции:
AG = Л Я - ГосЛ 5,
где Л Я -изменение энтальпии при образовании вещества; AS - изменение
энтропии при образовании вещества.
Тогда
ЛЯхим = [
- D
A / / )b*x] - T oc [ £
ДЯхим = Q ~ Tqc £ ^ ^
Л 5 ах - £
A S BbIX] ;
— A S BbIxj ,
(2.25)
где Q — тепловой эффект химической реакции. В ориентировочных расчетах
можно принимать А
= Q.
Пример 2.4. Р ассчитать химическую эксергию N H \ ОН.
Решение. AGnh<oh = -254306 кД ж/кмоль [49), значение химической эксер­
гии азота, водорода и кислорода берутся из таблицы приложения 18.
Аем,м = -254306 + 335 + 5 • 11769Т + 1968 = 336482 кДж/кмоль.
Эксергетический метод термодинамического анализа
❖
63
Пример 2.5. Рассчитать химическую эксергию РЬО,.
Решение. Решение делается по уравнению (2.23).
е* и м (Р Ь 0 2) =
Д ( 7 + e p t, + 2 е о
Д G - -217504 кДж/кмоль |49(, значения химической эксергии свинца и кис­
лорода берутся из таблицы приложения 18.
6W
РЬО,.) = -217504 + 210062 + 2 ■1968 = -3506 кДж/кмоль.
Отрицательная химическая эксергия означает, что в рассматриваемой локаль­
ной окружающей среде за вещество отсчета для производства свинца нужно
брать не РЬС03, как это сделано в таблице приложения 18, а более девальвиро­
ванное вещество РЬО:, т.е. следует считать <\ии(РЬО_.) = 0. При этом эксергия
свинца относительно РЬО.. составит
е<им(РЬ) = - Д G - 2<?о = 217504 -
2
1968 = 213568 кДж/кмоль.
2.2.7. Эксергия теплового потока
В произвольном процессе 1 -2 (рис. 2-8)
удельная теплота q сообщается рабочему телу.
Удельная эксергия потока теплоты (эксергия
теплоты), равная eq = q - Тж (з 2 - .?i), изоб­
ражена заштрихованной площадью. Площадь
под линией Гос = const равна произведению
Гос(*2 - * і ) и представляет собой часть теплоты,
которую невозможно использовать для практи­
ческих целей.
Рис. 2-8. Графическая интерпре­
В дифференциальном виде:
тация эксергии теплоты.
(2.26)
Se, = S q - T K ds,
в свою очередь ds = ôq/T, тогда
(2.27)
Величина те называется эксергетической температурной функцией:
Те
_
1
I
Г«
гг
-
Т
'
(2.28)
Для всего процесса
-f
ôqre
Эксергетическая температурная функция представляет собой термодинами­
ческий КП Д цикла Карно, в котором холодным источником теплоты является
окружающая среда (см. раздел 4.3).
64
О
ТЕ Х Н И Ч Е С К А Я Т Е Р М О Д И Н А М И К А И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А
❖
Глава 2
В частном случае при Г = const, т.е. при те = const, удельная эксергия
теплового потока:
е, = gre.
(2.29)
Для всего теплового потока Q
E q = <?ге.
(2.30)
Величина те представляет собой функцию состояния системы и окружающей
среды. Величина е, не является параметром состояния, так как зависит от пути
процесса, так ж е как и величина ç.
Зависимость ге от Г представляет собой гиперболу, изображенную на
рис. 2-9. Эта гипербола пересекает ось абцисс в точке Г = Гос. При Г -> ос
значение ге -> 1; при Г -*• 0 значение
те -> -оо. Таким образом, ге может при­
нимать все рациональные числовые значе­
ния в интервале от -оо до +1. Из пред­
ставленной зависимости видно, что по ме­
ре увеличения температуры темп роста те
замедляется, при высокой температуре из­
менение температуры на сотни кельвинов
приводит к очень малому росту те. Из этого
следует вывод: тепловой поток при Г - * оо
можно рассматривать как поток высокока­
чественной энергии, равносильной работе
(это и естественно, так как при Г -> ос егс>
Рис. 2-9. Зависимость эксергетической энтропия стремится к нулю).
температурной функции те от темпера­
Большая зона отрицательных значений
туры Т.
те соответствует относительно небольшому
интервалу температур от Гос До Г
0. Та­
кая зависимость те от Г отражает более высокую энергетическую ценность
теплового потока почти во всей зоне низких температур по сравнению с таким
же потоком при высоких температурах.
Изменение знака ге при переходе через Гос приводит и к соответствую­
щему изменению знака эксергии теплового потока. При Г > Гос знаки е,
и q одинаковы. Это означает, что направление потока эксергии совпадает
с направлением теплового потока, т. е. при отводе от системы теплоты от
нее отводится и эксергия (и наоборот). При температуре ниже Гос знаки
потоков теплоты и эксергии противоположны. Это говорит о том, что, для
того чтобы отвести от системы теплоту, к ней надо подвести эксергию, т.е.
работу. Причем, чем ниже температура, тем эта работа должна быть больше.
На рис. 2-10а при Гі > Г 2 > Г3, Г 3 = Гос количество теплоты q равно общей
площади каждого прямоугольника и при разных температурах одинаково д, =
= 92 = 9 з ! эксергия теплоты показана заштрихованной площадью е1я > е2, >
> е3ду е3, = 0. На рис. 2-106 при Г 3 < Г2 < Гі < Гос количество теплоты q равно
Эксергіггцчесһіій мггси термодинамического анализа
❖
65
Рис. 2-10. Связь вепичин q и е, при разных значениях Т а - в области Т > Тж ; б - в
области Т < Т Ж
незаштрихованной площади каждого прямоугольника и также одинаково для
всех трех рассматриваемых температур q, = q-i = <73■Эксергия теплоты показана
заштрихованной площадью, н о н , <
< г зц- В пределе при Т -» 0 величины
Ля и е, в соответствии с рисунками 2-9 и 2-I0 должны были бы стремить­
ся к бесконечности. Однако такое графическое построение недопустимо при
Т -» 0, поскольку по закону Нернсга при этих условиях в = 0 и ось абиисс
стянется в точку. По этой же причине при Г -> 0 формулы (2.26) и (2.27)
неприменимы. Это ограничение следует из икона Нернста, согласно которому
величина ils , входящая в формуле (2.26) в величину 6q = T d.i, при Г -+ 0
становится равной нулю.
Влияние изменения тем пературы окружающей среды на еч тем больше, чем
ближе значение Т к Тж . Однако в расчетах, где используется разность величин
Лте (например при анализе теплообменников), в большинстве случаев можно
пренебречь даже значительными изменениями Toç, так как значения ошибок
у обеих величин тс практически одинаковы и имеют один знак.
3—4675
66
«■
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕРМ О ДИ Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И КА
О
Глава 2
В случае передачи т е г и о т ы при постоянном давлении (в изобарном процессе)
согласно уравнению (1.16): qp = A h , тогда
1
- Tar
Z v
(е„)Р = ЧрТе = Д һ - ^ ^ = A h - A h - f = A h - qp
= A h -A s
Таг
=
Toc = Ae,
(e,)p = Дер,
(2.31)
т.е. изменение эксергии потока рабочего тела в изобарном процессе равно
эксергии е, связанного с этим процессом теплового потока.
Следовательно, во всех процессах теплообмена, протекающих при посто­
янном давлении, эксергию теплового потока можно вычислить по разности
эксергии потока вещества до и после изменения температуры потока вещества.
Это значительно упрощает расчеты при переменных температурах.
Пример 2.6. Сравнить эксергии 1 М Д ж те пл оты , передаваемой при температурах
+20"С, -80°С, +120°С, +1020°С.
Решение. Эксергия £ , теплоты Q рассчитывается по формулам (2.30) и
(2.28). Примем температуру
при
+20
°С
Е„ = 0;
при - 8 0 °С
Е„ = 1 •
при +120 °С
Е„ = 1 •
при + 1020 °С
Е„ = 1 •
ь
ь
ь
= -0,518 МДж;
273 - 81
293
= +0,254 МДж;
273 + 120
293
= +0,773 МДж.
273 + 1020
Таким образом, для того чтобы передать 1 М Дж теплоты с температурного
уровня +2 0 °С на уровень - 8 0 °С, т.е. при А Т = 193 - 293 = -1 0 0 К необхо­
димо затратить, как минимум, работу равную 0.518 МДж; при температуре на
100 К выше, чем Гос, от 1 М Дж теплоты можно получить максимальную работу'
0,254 М Дж; если же температура использования 1 М Дж теплоты на 1000 К выше
Гос, то максимально возможная работа 0,773 МДж.
2.2.8. Эксергия потока излучения
В данном случае рассматривается эксергия теплового излучения, характе­
ризуемого энтропией, отличной от нуля. Эксергия такого потока излучения
может рассматриваться с двух позиций. Можно говорить об эксергии излуче­
ния, испускаемого некоторой поверхностью, свойства и температура которой
известны. Но во многих задачах более важно знать эксергию излучения, дости­
гающего некоторой поверхности, независимо от источника этого излучения.
Эксергетический метод термодинамического анализа
❖
67
В обоих случаях эксергия по то ка излучения (э к с е р т я излучения) е„ опреде­
ляет максимальную работу, которая может быть выполнена во время обратимо­
го процесса приведения этого излучения в состояние равновесия с окружающей
средой (при Тж).
Для излучения абсолютного черного тела с температурой Т эксергия излу­
чения, отнесенная к едиж ш е поверхности, равна
_ ЗГ4 + Г І - 4ТК Т 3
е„ = хС 0 ---------- ^ ------—
,
(2.32)
где у — коэффициент теплового излучения поверхности (степень черноты излучаюшей поверхности); С0 — постоянная Стефана-Больцмана. Анализ урав­
нения (2.32) показывает, что t „ = 0 при Т = Тж и возрастает при отклонении
Г от Гос в сторону ка к высоких, так и н изких температур, сохраняя при этом
положительное значение.
Энергия и эксергия излучения всегда различны по величине, за исклю че­
нием одной точки, соответствующей температуре Т = и.бЗГос. При Г > О.бЗТос
эксергия излучения меньше его энергии, а при Т < 0.63Г,*. эксергия излучения
больше его энергии. Это следует учитывать при расчете К П Д установок, ра­
ботающих от солнечной радиации, в данном случае энергический К П Д часто
оказывается большим, чем эксергетический.
2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫ Х ПРОЦЕССОВ
С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ
Различные случаи преобразования энергии вещества в процессах химиче­
ской технологии могут быть разделены на 4 группы:
1) сжатие и расширение газов и жидкостей;
2) теплообмен от одного рабочего тела к другому;
3) смешение и разделение вешеств, происходящие без образования новых
вешеств;
4) химические реакции.
При определении характеристик различных систем и происходящих в них
процессов существенное значение имеет выявление, а затем и исключение из
рассмотрения транзитных эксергетических потоков.
Транзитная эксергия — часть потока эксергии, проходящая через техниче­
скую систему и не участвующая в процессах преобразования.
В процессах первой и второй групп транзитными являются концентрационная t, и реакционная ег составляющие эксергии, так как они никак
не изменяются в этих процессах и должны быть полностью исключены из
рассмотрения.
В процессах третьей группы наряду с с„, ег участвует и ел; исключается из
рассмотрения, ка к транзитная, только ег .
68
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О Д И Н АМ И КА И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А
❖
Глава 2
В процессах четвертой группы участвуют и должны анализироваться все
виды эксергии.
Следует отметить, что при использовании эксергетических показателей для
анализа работы установок отпадает необходимость подбора процессов или
установок в качестве эталона, а также становится возможным непосредственно
определять минимальные энергетические затраты, которые необходимы для
реализации процесса в предельном случае, т.е. при его полной обратимости.
Эксергетический анализ процессов расширения и сжатия будет рассмотрен
в гл. 3, посвященной этим процессам и устройствам для их осуществления.
Изменение эксергии в химических реакциях было показано в разделе 2.2.6.
Подробно методика эксергетического анализа химических реакций дана в кн и ­
гах [33, 46[.
2.3.1. Теплообмен от одного рабочего тела к другому
Рассмотрим процесс передачи теплоты Q от горячего теплоносителя (ин­
декс г) к холодному (индекс х) в теплообменном аппарате, пренебрегая тепло­
выми потерями и затратами энергии на преодоление гидравлических сопротив­
лений, т. е. при постоянных давлениях рг и р*. Массовые расходы теплоносите­
лей обозначены как т г и шх. Если давления постоянны, то, согласно формуле
(I I 6 ), Qr = т г(/іг2 - Лгі ); <3х = m x(hx2 - Л хi), где индекс 2 указывает на конечное
состояние потока теплоносителя, индекс i — на начальное.
При отсутствии тепловых потерь тепловой баланс Qr + Q x = О,
mr(/ir2 - hr\) + m x(hx2 - K i ) = 0.
(2.33)
В рассматриваемом случае эксергия передаваемого потока теплоты равна,
согласно уравнению (2.31), изменению эксергии потока вещества и рассчиты­
вается по формуле (2.14).
Для потока горячего теплоносителя
Д -EV = Е г 2 —E ri = тПг[(һг2 —Агі) — Тос(вг2 —Sri)]-
Для потока холодного теплоносителя
Л £х =
Е&
Exl —m
x [ (/tx 2 — Л х 1 ) — 7 о с ( 5 х 2
S xi ) ] .
Суммарное изменение эксергии термодинамической системы (потоков ве­
ществ в теплообменнике)
^
Д Е = Л Е Г + Д Ех =
= [тг(Лг2- Ап) + тх(Лх2- Лх1)] Т’осШг(5г2
Sri)
ТосТПх(вх2
SXi)
Выражение в квадратных скобках равно нулю (согласно формуле (2.33)) тогда
£
Д Я = -Г о с (Д 5 г + A S X) = D ,
где Д Sr = 7n r(sr2 —Sri), Д S i — nix(sx2 —sxi).
(2.34)
Эксергетический метод термодинамического анамиа
❖
69
Таким образом, эксергия системы при передаче теплоты от горячего тепло­
носителя к холодному уменьшается, т. е. происходит потеря эксергии, называе­
мая диссипацией, из-за необратимости процесса теплообмена, так ка к Гг > Г ,.
Чем больше разница температур горячего и холодного теплоносителей, тем
больше потери эксергии, так как dS, = -d Q r/T r; dSr = dQx/T x; -dQ , = dQ„ =
= dQ: dSr + dSx = d Q (\/T x - V/T,) > 0.
Следовательно, необходимо избегать •перекосов» температур на концах
поверхности теплообменника, т.е. не следует незначительно нагревать большие
массы холодных вешеств небольшим количеством горячего теплоносителя.
Эксергетический К П Д темообменного аппарата
гы = Ц
(2.35)
Этот К П Д всегда меньше единицы, в отличие от теплового К П Д , который
при любых значениях Т, и Г, практически равен единице для хорошо тептоизолированных аппаратов, когда потерями теплоты в окружаю щ ую среду можно
пренебречь (см. пример 2.7).
Если процесс теплообмена протекает при Т{ = const н Тж = roust, то
эксергии потоков отдаваемой и получаемой теплоты могут быть рассчитаны
по уравнению (2.30):
ДНі =
Eqt — Qi тг1
Д Ех =
= Q xt„
так как - Q r = Qx ~ Q, то
Д Ех
тп
(2.36)
где т, рассчитываются по формуле (2.28).
Например, если Г , = 100 + 273 = 373 К . Т, = 130 + 273 = 403 К, то i/r = 78%;
если Т, = 373 К , Гг = 1273 К, то п, = 28%.
2.3.2. Смешение и разделение веществ
В химической технологии смешение применяется для приготовления
эмульсий, суспензий, пен, аэрозолей, гомогенных растворов, смесей твердых
вешеств и т.д.
При проведении процессов фильтрации и осаждения под действием раз­
личных сил, а также при выпаривании, кристаллизации, сушке, абсорбции,
адсорбции, перегонке, экстракции и т.д. происходят процессы разделения
веществ.
Процессы смешения являются необратимыми процессами —- для разделе­
ния смеси на исходные компоненты необходимы затраты энергии. Минималь­
ные затраты на разделение могут быть оценены по значению эксергии.
70
❖
ТЕ Х Н И Ч Е С К А Я Т Е Р М О Д И Н А М И К А И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А
^
Глава 2
Рассмотрим адиабатные процессы смешения (разделения).
В любом случае при смешении веществ в постоянном объеме, в потоке,
при заполнении объема масса получаемой смеси, согласно закону сохранения
массы, равна сумме масс смешиваемых веществ:
т = ^ т * .
(2.37)
Это выражение является материальным балансом.
При смешении (разделении) веществ в постоянном объеме (в емкостных
аппаратах периодического действия) объем получаемой смеси равен сумме
объемов смешиваемых веществ, если нет процессов их физико-химического
взаимодействия:
v -5 >
m v = V m,-wj,
где m и v — масса и удельный объем получаемой смеси; т ( и «, — массы
и удельные объемы смешиваемых веществ.
Внутренняя энергия смеси равна сумме внутренних энергий смешиваемых
веществ:
u = ' £ u i.
Это выражение является тепловым балансом процесса смешения в постоянном
объеме. Через удельные внутренние энергии и, и массы веществ т , оно запи­
сывается в виде:
mu = ^
m ,u i
Эксергетический баланс смешения указывает на необратимые потери при сме­
шении — эксергия полученной смеси меньше суммы эксергий смешиваемых
веществ:
EV < Y
EV=J2
Tnev =
E vt,
+ D’
n n e Vi 4- D ,
где D — потери эксергии при смешении.
При смешении (разделении) веществ в потоке (аппараты непрерывного
действия) энергетический (тепловой) баланс выражается через энтальпии по­
токов:
mh =
тпіһі,
(2.38)
где m, m, — массовые расходы потоков веществ, кг/с
E = Y ^ E , + D.
(2.39)
Эксергетический баланс включает в себя кроме эксергий потоков потери
эксергии. Как и в предыдущем случае, выразим эксергии потоков через их
удельные эксергии и массовые расходы вешеств
me =
rniei + D.
Эксергетический метод тгриодті.імнчггкого анллніа
❖
71
Следовательно, при смешении эксергия смеси всегда меньше суммы эксергий
смешиваемых потоков вешеств.
Эксергетический КП Д процесса смешения
Расчет эксергетических балансов процессов смешения дан в примерах 2.8 и 2.9,
эксергетические балансы процессов конвективной суш ки, выпаривания, разде­
ления воздуха на компоненты даны в примерах 2.11 -2 .1 3 .
Пример 2.7. В теплообменнике нагревается 1500 кг/ч раствора за счет конден­
сации 200 кг/ч насыщенного водяного пара. Начальная температура раствора 25,
конечная 110 “ С, теплоемкость 3,31 к Д ж / ( к г К\. Пар имеет давление ЫЮкПа.
Определить потери эксергии в теплообменнике. считая, ч то те пю вы х и гид­
равлических потерь нет.
Решение. При конденсации насыщенного пара изменение энтальпии рас­
считывается по уравнению (1.24).
Для насыщенного водяного пара давлением 500кП а (см. прил. 2):
Д һ „ = - г = —2108,4 к Д ж /к г.
Д.ч„ = «' - я" = 1,860 - 6.822 = -4,962 к Д ж Д к г К),
где s' и я" — удельные энтропии воды и пара в состоянии насышення.
Подставляем значения величин в уравнение (2.15):
Ле„ = -2108.4 - 293(—4,962) = -654.5 кД ж /кг.
Общее изменение эксергии пара согласно уравнению (2.16):
Л Е П = 200 • (-654.5) = -1.31 • 10 5 к Д ж /ч = -36.4 кВт
Раствор нагревается при постоянном давлении. Для ию барного процесса из­
менение энтальпии раствора рассчитывается по уравнению (1.45):
Л Һ , = 3,31 • (110 - 25) = 281,35 кД ж /к г,
По уравнению (1.18) при постоянном давлении изменение энтропии раствора:
Л
= 3.31 In
= 0.831 к Д ж Д кг К).
'
2 13 + 2о
Подставляем значения величин в уравнение (2.15):
Д(> = 281,35 - 293 0,831 = 37.9 к Д ж /к г.
Обшее изменение эксергии раствора по уравнению (2.16):
Л £ р = 1500 37.9 = 0.57 ■10* кД ж /ч = 15.8 кВт
Суммарное изменение эксергии системы является, согласно уравнениям (2.33)
и (2.34), эксергетическими потерями:
D = £
S E = Д £ „ + Л Е „,
D = -36.4 + 15.8 = -20,6 кВт
72
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О Д И Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И К А
❖
Глава 2
Знак минус указывает на потери эксергии. Э ксергетический К П Д системы
при передаче эксергии от горячего потока пара к холодному потоку раствора
рассчитывается по уравнению (2.35):
’■=Щ
=
Потери эксергии во зникаю т только из-за необратимости теплообмена при к о ­
нечной разности температур между теплоносителями (тепловых и гидравличе­
ски х потерь нет).
Пример 2.8. Для получения горячей воды давлением Ю ОкП а смешивается 850к г/ч
насыщенного водяного пара давлением 500 к Па и 8200 к г /ч холодной воды с т е м ­
пературой 10 °С и давлением 300 кП а. Определить параметры получаемой горя­
чей воды. Р ассчитать потери эксергии при смешении. Температура о кр у ж а ю ­
щей среды 20 °С.
Решение. П о то к насы щ енного водяного пара при давлении p i = 500 кП а
имеет температуру t i — 151,85 °С , удельную энтальпию h i = 274.5 к Д ж /к г ,
удельную эн тр о пи ю si = 6 ,8 2 к Д ж /(к г - К ) (прил. 2).
П оток
холодной
воды
при р?
имеет удельную энтальпию h 2
= 0,151 к Д ж /(к г - К ) (прил. 3).
=
=
300кП а
42,3 к Д ж /к г ,
и температуре t2 =
Ю °С
удельную эн тро пи ю
s2 =
Материальный баланс смеш ения рассчитывается по уравнению (2.37): мас­
са горячей воды т равна сумме масс смешиваемых пара m i и холодной воды
m2
т = 850 + 8200 = 9050 кг/ч .
Тепловой баланс процесса смешения потоков рассчитывается по уравнению
(2.38):
т һ = т хһ і + m 2 h i,
отсюда удельная энтальпия горячей воды
h im i + Л2т 2
h = --------------------,
т
,
2748,5-850 + 42,3-8200
_.
.
Л= -------- §050-------- = 296
П ри давлении горячей воды р =
200 кП а и удельной энтальпии h =
= 296 к Д ж / к г ее температура t = 70 °С, удельная энтропия s = 0 ,9 5 к Д ж /(к г • К )
(см. прил. 3).
П ри параметрах окруж аю щ ей среды, т.е. при Тж = 293 и рос = Ю ОкПа,
энтальпия воды hoc = 84.0 к Д ж /к г , энтропия воды Soc = 0,296 к Д ж / ( к г - К )
(см. прил. 3).
Э ксергии потока пара, холодной и горячей воды рассчитываются по урав­
нениям (2.12) и (2.13):
E i = 850 • [(2748,5 - 84,0) - (273 + 20) • (6,820 - 0,296)] =
= 6,4 • Ю5 к Д ж /ч = 177,8 кВт.
Эксергетический метод термодинамического анализа
❖
73
Рис. 2-11. Изображение процессов, происходящих в редукционно-охладительном устрой­
стве в Л - « координатах (к примеру 2.9).
Б? = 8200 ■[(42,3 - 84,0) - (273 + 20) • (0,151 - 0,296)] =
= 6,4 • 103 кД ж /ч = 1,8 кВт.
Е = 9050 • [(296,0 - 84,0) - (273 + 20) • (0,95 - 0.296)] =
= 1,8 • 105 кД ж /ч = 51,2 кВт.
Потери эксергии при смешении рассчитываются по уравнению (2.39):
D = Е - (E i + E i)
D = 51.2 - (177,8 + 1.8) = -128.4 кВт
Эксергетический КП Д процесса смешения рассчитывается по уравнению
(2.40):
* = m jfe e ' 100= 28’5%
Пример 2.9. Рассчитать, какое количество свежего пара давлением 1 М П а и т е м ­
пературой 350 °С и какое количество холодной воды давлением 300 кП а и темпе­
ратурой 15°С надо подавать на редукционно-охладительное устройство (Р О У ),
чтобы получать З т /ч пара давлением 300 к Па с температурой на 6 А’ выше
температуры насыщения. Рассчитать потери эксергии в РОУ, в то м чиые
при дросселировании и при смешении. ( Условное обозначение Р О У и его описание
даны в гл. 5 рис. S -I I )
Решение. Для свежего пара при давлении рп = 1 МПа и температуре („ =
= 350°С его энтальпия Л„ = 3157.7 кД ж /кг. энтропия sn = 7,30 кД ж/(кг-К)
(точка I на рис. 2 -1 1 и прил. 3).
Для получаемого пара при давлении р = 300 кП а его температура насыще­
ния (, = 133,54°С (прил. 2), следовательно, при перегреве на 6 К температура
получаемого пара ( = 133,54 + 6 = 139,54 = 140 ’ С. П ри этой температуре и дав­
лении р = 300 кП а энтальпия получаемого пара h = 2739,6к Д ж /к г, энтропия
« = 7 ,0 3 кД ж /(кг К ) (точка 4 на рис. 2-11 и прил. 3).
74
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ Р М О Д И Н А М И КА И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А
❖
Глава 2
Для холодной воды tx = 15 °С, р* = 300 кПа, hx = 63:2 кД ж /кг, sx =
= 0,22 кД ж /(кг-К ) (точка 3 на рис. 2-11 и прилож. 3).
При параметрах окружающей среды, т.е. при Тж = 293 К и рос = ЮОкПа,
энтальпия воды hoc = 84,0 кД ж /кг, энтропия воды аж = 0,296 к Д ж /(к г К )
(см. прил. 3).
Расход холодной воды находится при совместном решении уравнений
(2.37) и (2.38):
/ip — h
--ГГ’
mX= mT
ҺП
— Һ,\
где m — расход пара, выходящего из РОУ, m = 3000 кг/ч = 0,833 кг/с.
Расход свежего пара давлением р„ = 1 МПа
т п = ш —шх -- 0,833 —0,113 = 0.720 кг/с.
Эксергии потоков рассчитываются по уравнениям (2.12) и (2.13).
Для свежего пара давлением 1 МПа:
Е п = 0,720 • [(3157,7 - 84,0) - 293(7,30 - 0,296)] = 735,5 кВт.
Для холодной воды:
Е х = 0,113 ■[(63,2 - 84,0) - 293(0,22 - 0,296)] = 0,2 кВт.
Для получаемого пара давлением 300 кПа:
Е = 0,833 • [(2739,6 - 84,0) - 293(7,3 - 0,296)] = 568,6 кВт.
Потери эксергии в РОУ рассчитываются из уравнения (2.39):
D = Е — (Е „ + Е х),
D = 569,6 - (735,5 + 0,2) = -166,1 кВт.
Эксергетический К П Д редукционно-охладительного устройства рассчитывает­
ся по уравнению (2.40)
Ve = Е п + Е х ’
Пе
569.6
_
735,5 + 0,2
' ‘ °
Потери эксергии в РОУ складываются из потерь эксергии при дросселиро­
вании пара (процесс 1—2) и при смешении потоков пара и воды (процесс 3—4,
2 - 4 , рис. 2 - 1 1 ).
Дросселирование 1—2 происходит при hn = const от давления pn = 1 МПа
и температуры t „ = 350°С (точка 1, рис.2-11) до давления р = 300кПа (точ­
ка 2). После дросселирования температура пара t'n = 343 °С, энтропия s'n =
= 7,86кД ж /(кг К ) (см. прил. 5 или 3).
Эксергия потока после дросселирования по уравнениям (2.12) и (2.13):
Е ’„ = 0,720 • [(3157,7 - 84,0) - 293(7,86 - 0,296)] = 617,4 кВт.
Эксергетический метод термодинамического анализа
❖
75
Потери эксергии при дросселировании пара:
Д ір = Е'„ — Е„ — 617,4 - 735,5 = —118,1кВт.
что составляет (118,1/166.1) • 100 = 71% от общих потерь.
Потери эксергии при смешении составят 10U - 71 = 29%.
Пример 2.10. Рассчитать удельную эксергию п отока в.іажного воздуха. Темпера­
тура t = 41 С, влагосодержание X = 0,035 к г / кг, пари.иа.шое давление водяных
паров р„ = 5.2 к Па.
Решение. Удельная эксергия влажного воздуха, отнесенная к 1 кг сухого
воздуха является суммой эксергий сухого воздуха ею и водяного пара е„
ei+x = См + А'еп,
где Л' — нлагосодержание воздуха, кг влаги на 1 кг сухого воздуха.
Слагаемые в этом уравнении могут быть рассчитаны по формуле (2.17) и
(2.12), тогда
fl+ x = c „ ( t - t a с) - ГосСю In — - Я In —-—
1 ОС
Рос
+
Рп ■ОС
+ Л* ■[(/in —Afl-ocî —Гос(*п — Sn.ocï],
где сш- теплоемкость воздуха при t = 41°С. r BJ = 1 ,005кД ж /(кг К)
(см. прилож. 9); Гос и Рос — температура и давление окружающей
среды принимаются /„с = 20 °С, Тж = 293 К, рж = 100кП а: Г =
= 273 + 41 = 314 К ; газовая постоянная воздуха Я = 0,287к Д ж / ( к г К )
(см. прил. 10): р — давление влажного воздуха в потоке, р = рпс =
= ЮОкПа; рлос — парииальное давление паров влаги в воздухе окру­
жающей среды; рПос = 1.7 кП а при относительной влажности воздуха
Л * = 75% и fa, = 20°С (см. диаграмму Рамзина); h„ и ,s„ - удельные
энтальпия и энтропия водяного пара в воздухе при I = 41 °С: һ„ =
= 2575.8 к Д ж /к г и s„ = 8 . 2 3 9 к Д ж /(к г К.) (см. прил. 1); ҺПЖ и sn.„c —
удельные энтальпия и энтропия водяного пара в воздухе в окружающей
среде при taс = 20°С: һпос = 2537,7 к Д ж /к г и .чПос = 8,667 к Д ж /(к г К)
(см. прил. I).
е) + .Ү = 1.005(41 - 20) - 293 • 1,005 • In ^
- 0.287 In
+
+ 0.035[(2575,8 - 2537,7) - 293(8,239 - 8,667)] =
= 3.396 кД ж /кг.
Пример 2.11. Рассчитать за тр а ты эксергии в процессе конвективной сушки
влажного продукта. Сравнить тепловой и эксергетический бсиіансы сушильной
установки.
Производительность сушилки по в а ж н о м у продукту т „ = 0.24, по высу­
шенному т , = 0,020, по испаряемой влаге (воде) 11’ = 0,004 кг/с. Теплоемкость
высушенного продукта ск = і: і2 ік Д ж / ( к г - К ) . Температура продукта на входе
в сушилку v„ = 20°С, во время сушки и на выходе из сушилки vK = 36.1°С.
76
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМ О ДИ Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И КА
❖
Глава 2
б
Рис. 2-12. К расчету эксергетического баланса конвективной сушки (к примеру 2.11): а схема установки: б - диаграмма Грассмана.
Расход насыщенного греющего пара в калорифере т гр„ = 0.007 к г /с при давле­
нии ргрп = 200 кП а и тегью потерях Qnom = 1.37 к В т .
Расход сухого воздуха т „ = 0,164 кг/с . Параметры исходного воздуха: те м пе­
ратур а 1 1 = 20°С , влагосодержание Х \ = 0.011 к г /к г , энтальпия h i = 4 8 к Д ж / к г ;
воздух нагревается в калорифере до tKlL, = 110°С ; параметры отработанного
воздуха после сушилки: t 4 = 41 °С, Х 4 = 0,035 к г /к г , h 4 = 133 к Д ж /к г .
Температура и давление окружающ ей среды Тос = 293 К, рос = 100 кП а. П о т е ­
рями эксергии вследствие гидравлического сопротивления уста новки пренебречь.
Решение. В суш ильную установку (рис. 2-12) поступает исходный воздух
с теплотой Q i и эксергией E i\ грею щ ий пар с теплотой Q2 и эксергией Е 2;
влажный продукт с теплотой Q 3 и эксергией Е 3.
Из суш ильной установки отводятся: отработанный воздух с парами испа­
ренной влаги с теплотой Q 4 и эксергией Е 4; вы суш енны й п родукт с теплотой
Q5
и
эксергией Е ъ\ конденсат греющ его пара с теплотой Q 6 и эксергией Е 6\
теплопотери Q7 с эксергией Е 7.
1. Тепловой баланс.
1.1. Приход теплоты .
Q i —^пю һі ,
Q i =0,164 -48 = 7,87 кВт,
Эксергетический метол термодинамического анализа
^
77
Q i = "іф.пЛф п,
где K'v.n = 2706.9 к Д ж /к г — энтальпия ф еюшего пара при рф.„ = 200 кП а
(см. прил. 2)
Q i = 0,007 ■2706.9 = 18,95 кВт,
Q 3 = m KcKv „ +
где £-„ = 4.19 к Д ж /(к г К ) — теплоемкость воды,
Уз = 0.020 ■1,324 ■20 + 0.4 • 4,19 ■20 = 0,86 кВт
Суммарная теплота входящих в установку потоков:
У"
<?вх
= У і + Q i + Уз,
Qax = 7,871 + 8,95 + 0,86 = 27.68 кВт.
1.2. Расход теплоты.
Q , - т юһ і.
Q., =0,164 133 = 21.81 кВт.
Qr, = m KcKи*.
У 6 = 0,020 1,324 • 36,4 = 0.96 кВт.
Уб —
П^ф п,
где Л'ф п = 504.7 к Д ж /к г — энтальпия конденсата ф еюшего пара при fi,v „ =
= 200кП а(см . прил. 2).
Qя = 0,007 ■504.7 = 3,53 кВт,
Q t = Q„or = 1,37 кВт,
Суммарная теплота выходящих из установки потоков:
QflblX = У-4 + Q?> + Qe + У?
] Г Яшх = 21.81 + 0,96 + 3.53 + 1,37 = 27.67 кВт,
T.Qm = Y. Qob,x, что соответствует закону сохранения энергии, в данном случае
в виде теплоты.
Тепловая наф узка суш илки
Q = Q i - Qe = Q* + Q i + Qr - Q i - Уз,
Q = 18,95 - 3,53 = 15,42 к Вт.
1.3. Теіыовой К П Д сушилки.
где г — удельная теплота испарения воды при температуре продукта при сушке,
при t/K = 36.4 °С г = 2416,0 к Д ж /к г (см. прил. 1); q — удельный расход теплоты
в сушилке,
Q
I
78
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
<1 =
❖
Глава 2
= 3855,0 к Д ж /к г,
"-S U
Потери теплоты составляют Q j/Q = 1,37/15,42 • 100 = 8,9%.
2. Эксергический б ш анс.
2 .1 Приход эксергии.
E i = 0, так ка к воздух поступает в суш и лку из окруж аю щ ей среды.
Э ксергия потока ф ею ш его пара рассчитывается по уравнениям (2.12) и
(2.13):
Е2
^Гр п[(Аф п
hoc) — Тос(5ф п
Sqc)],
где вфп = 7,129 к Д ж /(к г - К ) — э н ф о п и я греющего пара при рф,п = 200 кП а
(см. прил. 2); һ'ж = 84,0 к Д ж / к г и
= 0,296 к Д ж /(к г - К ) — энтальпия и э н ф о пия воды при параметрах окруж аю щ ей среды (см. прил. 3).
Е 2 = 0,007[(2706,9 - 84,0) - 293(7,129 - 0,296)] = 4,35 кВт.
Ез = 0, так ка к в суш илке не происходит хим ических превращений v „ = focСуммарная эксергия входящ их в установку потоков:
У ' Евх = E i + Е 2 + Е з,
^ ' Ев%— 0 + 4,35 + 0 = 4,Зо кВт.
2.2. Расход эксергии.
Е \ —, тп^е4,
где е4 — удельная эксергия оф аботанного воздуха, при заданных парамефах
е4 = 3,396 к Д ж / к г (рассчитана в примере 2.10, где она обозначена ка к е1 + х).
E t = 0,164 ■3,396 = 0,56 кВт.
Э ксергия высуш енного продукта рассчитывается по уравнениям (2.12), (2.13)
и (1.18):
Е$ — Я1кСк(^К
toc)
TocCKln
—
,
Ец = 0,20 • 1,324 ■(36,4 - 20) - 293 • 1,324 • In
= 0,01 кВт.
Ев рассчитывается по уравнениям (2.12) и (2.13):
Еб —^ г р . п і і ^ ф . п
—
Һос)
— Г о с ( 5 ф -П — S o c ) ] ,
где вфп = 1,530 к Д ж / ( к г ■К ) — энтропия конденсата ф ею ш его пара при рф.п =
= 200 кП а (см. прил. 2),
Е 6 = 0.7[(504,7 - 84,0) - 293(1,530 - 0.296)] = 0,42 кВт.
Е 7 рассчитывается по уравнениям (2.28) и (2.30):
а=в’(1-ё)-
Эксергетический метод термодинамического анализа
❖
79
где Гиз — температура наружной поверхности изоляции аппаратов, приним а­
ется Тт = 273 + 40 = 313 К:
Суммарная эксергия выходящих из установки потоков:
^ ^-^вых= Е\ ■+■Es~ЬEq+Е7 ,
Ү
£ Вых = 0,56 + 0,1 + 0,42 + 0,09 = 1,08 кВт.
2.3. Эксергетический К П Д сушшіки.
Если считать, что полезноиспользуемыми являются затраты эксергии на
испарение влаги, Л £ исп, то эксергетический К П Д суш илки
Д £ „ сп
"е - £я=*'
Согласно уравнениям (2.16) и (2.14):
А Е Исп = И [(Atr —hH) —
—sH)],
гле /і" и s" — энтальпия и энтропия паров влаги при температуре испарения
і \ = 36.4°С: Л" = 2566.8 к Д ж /к г , s" = 8,334 к Д ж /( к г К ) (см. прил. 1); Л„ « s , энтальпия и энтропия влаги при начальной температуре продукта v „ ~ 20 °С:
К - hoc = 84,0 к Д ж /к г , s„ = «ос = 0,296 к Д ж /(к г-К ) (см. прил. 3).
Д £ „ сп = 0,004[(2566.8 - 84,0) - 293(8.334 - 0,296)] = 0,52 кВт.
П
щ =
• ЮО = 12,0%.
2.4. Потери эксергии.
С отработанным воздухом:
435
. юо = 12,9%,
эксергия испарившейся влаги, в данной задаче равная Л.ЕИСП, входит в эти
12,9%.
С теплотой высушенного продукта:
Е ъ _ < Ш 100 _ 0 2%
4,35
Е е‘
С конденсатом греюшего пара:
£в
= 24? . 100 = 9,6%.
4’35
С теплопотерями в окружающую среду:
Е-,
0,09
~
4'35
100= 2,1
От необратимости процесса теплообмена в калорифере (ГВ), согласно форму­
лам (2.34) и (1.18):
t
/
ч \
і^пз = ^ о с{ т гр.п(^ф.п ~ 5ф.п)
ГПВЗ ’ Свз
I
1
1
J’
80
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМ О ДИН АМ ИКА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И КА
❖
Глава 2
где ст — изобарная теплоемкость воздуха при его средней температуре t =
= (110 + 20)/2 = 6 5 °С , Ст = 1,005 к Д ж /( к г - К ) (см. прил. 9),
{
273 4-1101
0,007(1,530 - 7,129) •+ 0,164 ■1,005 ■In —
= —1,-47 кВт,
что составляет
£>гв
£ >
х
М7
100 = 33,8
4 ’3 5
От необратимости процесса теплообмена, а также в процессе смеш ения паров
влаги с воздухом в суш илке:
D c iu =
^
^ -Ё'ВЫХ + £>гв ~ ^
^ £вх,
£>сш = 1,08 + 1,47 - 4,35 = -1 ,8 0 кВт,
что составляет
^ -сш - = М 2 • 100 = 41,3%.
£вх
4 -3 5
Результаты эксергетического баланса проиллю стрированы диаф ам м ой Грассмана (рис. 2-12б).
Таки м образом, с одной стороны полезны ми затратами эксергии можно
считать зафаты эксергии на испарение влаги, Д £ Исп> с другой стороны ис­
парившаяся влага обладает эксергией (часто равной ДЕисп), доля этой э к ­
сергии в общ их потерях значительна (в данной задаче 12%). Рекомендовать
к использованию м ож но и конденсат ф ею ш его пара, потери эксергии с ко то ­
рым составляют почти 10%. О днако основны е потери входящей в установку
эксергии связаны с необратимостью процессов теплопередачи и смешения
при кон ве ктив н ой суш ке, сущ ественно уменьш ить которы е невозмож но при
данном способе обезвоживания материала. К с н и ж е н и ю потерь эксергии при
теплопередаче приводит уменьшение температуры воздуха после калорифера,
однако это влечет за собой увеличение времени с у ш ки , а в некоторы х случаях
повы ш ение конечно й влажности продукта. Потери от необратимости процес­
сов несколько сниж аю тся при суш ке перегретым паром.
Более подробно метод эксергетического анализа ко н ве кти в н ы х суш ильны х
установок дан в кн ига х [3, 46].
Тепловой баланс позволяет рассчитать расход теплоносителя в калорифере
суш и лки и расход воздуха на суш ку, но не выявляет значим ость каждого
теплового потока и реальные пути сниж ен ия энергозатрат.
Примеры утилизации теплот отработанного воздуха ко н ве кти в н ы х суш иль­
ны х установок и конденсата ф ею ш его пара даны в главе 6.
Пример 2.12. Р ассчитать з а т р а т ы эксергии на процесс концентрирования о т 5
до 25% водного раствора хлорида кальция. Сравнить тепловой и эксергетический
балансы процесса выпаривания при концентрировании раствора.
Эксергетический метод термодинамического анализа
<>
81
а
Рис. 2-13. К расчету эксергетического баланса выпарки (к примеру 2.12): а - схема
установки: 6 - диаграмма Грассмана.
Массовый расход исходного раствора т „ = 1000 кг/час; его теіыоемкость с„ =
= 3,980к Д ж / ( кг-К). температура t„ = 20°С. Расход выпариваемой воды И- =
= 800 кг/час. Расход концентрированного раствора гп к = 200 кг/час, его тепло­
емкость с.к = 3.318 к Д ж Ц к г-К ], температура t K = 109 “ С. Расход насыщенного
греющего пара m ip „ = 1089.5 кг/час, его давление ргр,„ = 300 к Па. Геплопотери
составляют 29.1 к В т . Процесс выпаривания ведется при атмосферном давлении
Ратм ~ Ю О к П а .
Решение. В выпарной аппарат (рис.2-13а) поступают: исходный раствор /
с теплотой Qi и эксергией Е й греющий пар 2 с теплотой Ог и эксергией Е?
Из выпарного аппарата отводятся: концентрированный раствор 3 с теп­
лотой Q-j и эксергией £ 3; вторичный пар 4 с теплотой С?4 и эксергией £ 4;
конденсат греющего пара 5 с теплотой Q s и эксергией Еъ\ теплопотери Q r , и х
эксергия £ 6; теплота дегидратации Q- и ее эксергия А £ 7.
1. Тепловой баланс.
Q 1 = п іи С н ін і
82
❖
ТЕ Х Н И Ч Е С К А Я Т Е Р М О Д И Н А М И К А И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А
О-
Глава 2
где /іф п — энтальпия греюш его пара, ЛфП = 2725,5 к Д ж / к г при ргр.п - 300 кПа
(см. прил. 2).
_ ЮЗо
_ 783 кВ т
3600
Q 3 = m KcKt K,
ш
_
Вт
3600
Qi = W hl,
где /і" — энтальпия вторичного пара, ft" = 2675.7 к Д ж / к г при ра™ = ЮОкПа
(см. прил. 2),
Qi=
2675,7= 5946КВТ'
Qb=^гр.п^ф.п’
где /гф п — энтальпия конденсата греющ его пара, /г'ф п = 561,4 к Д ж / к г при рц,.п =
= 300 кП а (см. прил. 2)
в* ' і а
5611=1б1і4кВт-
Qe = 29,1 кВт.
Теплота дегидратации рассчитывается на мольные доли растворенного веше­
ства и растворителя.
В 1000 граммах раствора, содержащего 5% (массовых) СаСЬ число молей
СаСЬ равно п „ = (0.05 ■ 1000)/111 = 0.45; число молей воды равно (1 - 0,05) •
• 1000/18 = 52,78. На один моль раствора приходится
= 52,78/(52.78 + 0,45) =
= 0.9915 молей воды. На один моль СаСЬ приходится 52,78/0,45 = 117,3 молей
воды. Теплота образования такого раствора (39]
(Эн = -872,5 кД ж /м о л ь.
В 1000 граммах раствора, содержащего 25% (массовых) С аСЬ, число молей
СаС12 равно пк = 0,25 • 1000/111 = 2,25; число молей воды равно (1 - 0,25) х
х 1000/18 = 41,67. На один моль раствора приходится пки, = 41.67/(41,67 + 2,25) =
= 0,9488 молей воды. На один моль СаСЬ приходится 41.67/2,25 = 18,5 молей
воды. Теплота образования такого раствора [39]
Q=
-868,3 кД ж /м о л ь.
М олярная теплота дегидратации
У дегидр. = -868,3 - (-872,5) = 4,2 к Д ж /м о л ь.
В концентрируемом растворе число молей СаС12
п = П!нп „ = m Kn K =
1000• 0,45
„ =2
00 „
— • 2,25 =
Массовая теплота дегидратации
Q 7 = 4,2 0,125 = 0,5 кВт.
Суммарная входящая теплота
У. Qвх = Q\ + <3-2,
0,125 моль/с.
Эксергетический метол термодинамического амамоа
❖
83
] Г (Д ч = 22.1 + 783,6 = 805.7 кВт.
Суммарная выходящая теплота
^вых= Фз+Q\+фа+Q
a+(^7<
5 ] Уаы» = 20,1 + 594.6 + 161.4 + 29.1 4- 0.5 = 805.7 кВт
У . Ув\ = 'У ] Увых.
что соответствует закону сохранения энергии, в данном случае в виде теплоты.
Тепловая нагрузка аппарата
Q —Qi
-
Оь — Оз +
+ Qe + Q i -
Q i,
Q = 783.6 - 101.4 = 622,2 кВт.
Потери теплоты в окруж аю щ ую среду составляют
29 1
^ ^ 2 100 = 4,75f
от тепловой нагрузки аппарата.
2. Эксергетический ба.іанс.
При составлении эксергетического баланса параметрами окружающей сре­
ды выбираются температура 1Ж = 20“ С, т.е. Тж = 273 + 20°С = 293 К и дав­
ление рос = ЮОкПа, при этих условиях энтальпия воды hoc = 84.0к Д ж /к г,
энтропия воды soc = 0,296к Д ж /(к г - К ) (см. прил. 3). Химический состав веществ
при выпаривании не меняется, следовательно, реакционная эксергия является
транзитной, поэтому не учитывается.
Эксергия исходного раствора E i = 0, так как его температура равна 1Ж
и давление равно рж .
Эксергии потоков феюшего пара Е г, вторичного пара E t , конденсата гре­
ющего пара Ец рассчитываются по уравнению (2.13) совместно с (2.12)
E l ~ тНф.п[(ЛфП
Һж ) ~~ ^(ф.п-Зос)].
где вфП — эн ф о пи я греюшего пара. н"рп — 6,993 к Д ж /(к г К) при давлении
Ргр.п = 300кП а (см. прил. 2).
£ 2 _ 12^[(2725,5 - 84.0) - 293(6.993 - 0,2961] = 195.3 Вт.
E i — И \(hIL —ҺЖ) —ïoc(»U. “ «Ос)],
где s". — энтропия вторичного пара, з", = 7.361 к Д ж /(к г К ) при раш = ЮОкПа
(см. прил. 2).
Е4 = -?22_[(2675 - 84.0) - 293(7,361 - 0,296)] = 115,8кВт,
£ = Л1гр.п[(^ірп—hoc)~Гос(.¥ф,п—яос)],
где Зф П — эн ф о пи я конденсата ф еюшего пара, я|р П = 1,672 к Д ж /(к г К ) при
р = 300 кП а (см. прил. 2).
Е, = 121®. 1(561.4 - 84,0) -293(1.6720,296)] = 21,3 кВт.
3600 1
84
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О ДИ Н АМ И КА II ТЕ П Л О ТЕ Х Н И К А
❖
Глава 2
Эксергия потока концентрированного раствора Е3 рассчитывается при сов­
местном реш ении уравнений (2.12), (2.13), (1.45), (1.18):
Е 3 = m K[cK( tK - tœ) - r„cCKln - р - ],
ОС
где Тк = 109 + 273 = 382 К ,
200 Г
Ез = 3600
3821
3 ,3 1 8
'
(1 0 9
~ 20) ~
293
' 3,318 ' 1п 2931 = 2,1 кВ т
Эксергия тепловых потерь рассчитывается по уравнениям (2.30) и (2.28):
« -« •(■ -I)'
где Тиз — температура наружной поверхности изоляции аппарата, принимается
Тт = 273 + 40 = 313 К,
s’ =28'i ( i
- S ) =1'skBt
Затраты эксергии на дегидратацию |46] в молярном начислении:
ДЕдегидр = У дегидр
—ү
^ ~~ /?7’()Сlu 71Ср,
где Тст — температура, при которой энергия Гиббса не изменяется вследствие
взаимодействия между ком понентам и раствора, сопровождаемого тепловым
эффектом; для водных растворов нелетучих веществ ее мож но считать рав­
ной кри ти ческой температуре ки пени я воды, т.е. 047К (см. прилож .1); п ср —
среднеквадратичная молярная доля растворителя (воды ) в растворе.
ПСр = (п H w n KUi)
’ »
пср = (0,9915 • 0,9488)0,5 = 0,97,
R = 831 4Д ж /(км ол ь ■К ) = 8,3 • 1 0 - 3 к Д ж /(м о л ь -К ),
/
293\
ДЕдегидр = 4,2 ( 1 - — j - 8,3 • 10"
3
• 293 ■In 0,97 = 2,4 кД ж /м ол ь.
Затраты эксергии на дегидратацию в массовом исчислении
Д Е 7 = Д Едегилр71'
Д Е 7 = 2,4 ■0,125 = 0,3 кВт.
Суммарная входящая эксергия
У ", Евх = Е\ + Е 2,
£ вх = о + 195,3 = 195,3 кВт.
Суммарная выходящая эксергия
У , Ецых = Ез + E t + Еь + Ец + Д /'-7 ] Г Е „ых = 2,1 + 115,8 + 21,3 + 1,9 + 0,3 = 141,4 кВт.
Эксергетический метод термодинамического анализа
&
85
Затраты эксергии на дегидратацию раствора по сравнению с подводимой экс­
ергией греюшего пара составляют:
А Е7 _
Это. несомненно, полезные затраты эксергии.
Потери эксергии с концентрированны м раствором:
= 195^ 100=1т
-
Потери эксергии со вторичным паром:
Е,
115,8
1953
100 = 59.3%.
Потери эксергии с конденсатом греюшего пара:
Эксергия тепловых потерь
^
= ^ •1 0 0 = 1 ,0 % .
53 £ „
19а-3
Таким образом, больше всего тепловой энергии, годной к использованию,
уносит вторичный пар: на втором месте стоят потери эксергии с конденсатом
греюшего пара. Именно эти потоки необходимо использовать с целью сниже­
ния энергозатрат на выпаривание, см. примеры 6.2 и 6.3 в главе 6.
Внешние потери эксергии:
Дшеш = Е 3 + £< + £ 5 + Ее = 2,1 + 115.8 + 21.3 + 1,9 = 141,1 кВт.
J^ÎÏM L = Ü H . ш о = 72,2%.
53 £»* 1953
Потери эксергии из-за необратимости процессов в выпарной установке состав­
ляют:
D mуф = 5 3 Ет - £ W шн - А Е г = 195,3 - 141,4 - 0,3 = 53,9кВт.
что составляет
i W p = ÜLÜL . ю о =
5 3Е .Х
195’3
2 7 ,6
%.
Эти потери существенно не уменьшить при концентрировании растворов в вы­
парных установках.
Результаты эксергетического баланса
проиллюстрированы
диаграммой
Грассмана (рис. 2-136).
Тепловой баланс установки не позволяет сделать выводов о целесообразно­
сти использования потоков теплоты, с его помощью рассчитываются тепловая
нагрузка аппарата и расход феюшего пара.
86
-О-
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О ДИ Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И КА
О
Глава 2
Рис. 2-14. К расчету эксергетического баланса разделения воздуха (к примеру 2.13): а схема установки; б - изображение процессов в Г - s координатах: в-диаграмма Грассмана,
Пример 2.13. Выполнить эксергетический анализ уста новки для разделения воз­
духа на кислород и азот, массовые доли ко то р ы х с ч и т а т ь равными у(0 -і) = 23.2%
и y(N 2) = 76,8%; молярные концентрации соответственно Ç (02) = 0.209 и Ç(N2) =
= 0,791. Воздух сж им ается компрессором до 10 М Па, охлаждается в рекупера­
тивном теплообменнике до -1 1 1 °С, дросселируется до давления 0S МПа.
Решение. П ринципиальная схема установки представлена на рис. 2-14а. где
КМ
— многоступенчаты й охлаждаемый компрессор. ТР — рекуперативный
теплообм енник, Д Р — дроссель-вентиль, ВРУ — ректиф икационная воздухо­
разделительная установка.
Расчет выполнен для 1 к г воздуха при Гос = 290 К и Рос = 100 кП а = 0,1 М П а.
Для получения в чистом виде газов из воздуха н у ж н о затратить м инималь­
ную работу, равную кон ц ен трац и он ной эксергии этих газов в воздухе, которая
рассчитывается по формуле (2.20).
Газовые постоянны е: азота f i( N 2) =
0,297к Д ж /к г , кислорода Я (0 2) =
= 0,260 к Д ж /к г , воздуха Я = 0,287 к Д ж /к г (см. прил. 10).
Для одного килограмма азота:
ec(N 2) = 290 ■0,297 • In — ^
= 20,2 к Д ж / к г
(N 2);
= 118,0 к Д ж / к г
( 0 2).
Для одного килограмма кислорода:
ес( 0 2) = 290 -0,260 In
Эксергетический метод термодинамического анализа
■Ф
87
В пересчете на 1 к г воздуха, поступающего в установку
e (N 2)
=
ÿ(N,,) f c(N ,) = 0,708 ■20,2 = 15,5 к Д ж /к г;
е(02) = у(03)-ег(03) = 0,232 118,0 = 27,4 к Д ж /к г.
Это и есть эксергии получаемых в установке чистых газов, т.е. es(N2) =
= 15,5 к Д ж /к г: е5(02) = 27.4 к Д ж /к г.
Единственный поток эксергии. входящий в установку, е„х, равен работе
компрессора К М . поскольку атмосферный воздух с параметрами окруж аю ­
щей среды обладает эксергией, равной нулю. Удельная работа компрессора
(см. формулы (3.6) и (3.2 )))
In —
е „х
= Jj- = RT-^SS.,
*1к}Л
где pi — давление, до которого сжимается воздух в компрессоре; r;tM — К П Д
компрессора, принимается ?/км = 0.0:
0.287 • 290 • 1п
ет = ---------- — --------— = G39 кД ж /к г.
0.0
Эта величина принимается за 100‘Х (см. рис. 2-14в). Для хорошо охлаждаемого
многоступенчатого компрессора температура воздуха на выходе из него равна
исходной Г, = Гос = 290 К.
Удельная эксергия воздуха на выходе из компрессора составляет 60% от
потребляемой компрессором эксергии ғ вх:
е\ = евх • Г)км = 639 • 0,6 = 383.4 кД ж /кг.
Сжатый воздух охлаждается (процесс 1—2, рис. 2-146) в рекуперативном тепло­
обменнике ТР до температуры Г . = 273-111 = 162 К . Удельная эксергия потока
воздуха после теплообменника, согласно формуле (2.12):
е2 = ^2 —^ос
Гос(«2
«ос),
где h-i и «2 — удельные энтальпия и энтропия воздуха в точке 2, т.е. при
давлении р2 = р, = 10 М П а и температуре Г2 = 162 К: /і2 = 27Gк Д ж /к г; s2 =
= 1 ,5 кД ж /кг(кг К ) (см. прил. 6); һж и кж — удельные энтальпия и энтропия
воздуха в условиях окружающ ей среды, т.е. в точке 0 при давлении рос =
= 0,1 М Па и температуре Г * = 290К: «ос = 3,73к Д ж / ( к г К ) , һж = 504к Д ж /кг.
е2 = 276 - 504 - 290(1,5 - 3.73) = 418.7 кД ж /кг;
Î L = І —- . 100 = 65,5%.
esx
G39
Охлажденный воздух дросселируется через вентиль Д Р до давления рз =
= 0,6 М Па. Процесс дросселирования 2—3 происходит при h3 = h? =
= 276 кД ж /к г; s3 = 1,92 к Д ж /(к г • К ), Г3 = 102 К (см. прил. 6). Удельная
эксергия потока воздуха после дросселирования согласно уравнению (2.12):
е3 = 276 - 504 - 290(1.92 - 3.73) = 296.9 кД ж /к г;
88
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О Д И Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И К А
О
Глава
2
І2 - . 100 =
. ю о = 46,5%.
е„х
639
После дросселирования воздух направляется в р е ктиф ика ци он ную воздухораз­
делительную установку ВРУ, где происходит процесс разделения воздуха на
азот и кислород (процесс 3—4 на рис. 2-14я и б).
Азот и кислород выходят из колонны в состоянии сухого насы щ енного пара
при давлении, близком к атмосферному, р4 = рос = 0,1 М П а ; при этом давлении
Г4( 0 2) = -1 8 3 + 273 = 90 К ; Т4(ЛГ2) = -195,8 + 273 = 77,2 К (см. прил. 10).
Э ксергия потоко в азота и кислорода рассчитывается по формуле (2.17)
с учетом кон ц ен трац и он ной эксергии
«4= jcp(Ï4 - Toc) - Toc Jcplnү- - ЛIn^-j +ecj
у,
где cp( N 2) = 1,03 к Д ж /(к г - К ) ; cp( 0 2) = 0,91 к Д ж /(к г - К ) (см. прил. 9),
e4( N 2) = { 1 ,0 3 -( 7 7 ,2 - 2 9 0 ) - 2 9 0 - [l,03 • In
- 0,297 • In
^
eBx
-
+ 20,2} ■0,768 = 150,8 к Д ж /к г ;
= ^ ■ 1 0 0 = 24%;
639
............ 0,1
90
е4( 0 2) = {0,91 ■(90 - 290) - 290 • |о,91 - In ^
- 0,260 • In |
10,1
+ 118,0} • 0,232 = 56,8 к Д ж /к г ;
е4( 0 2)
евх
56,.
. Ю0 = 9%.
639
После ВРУ кислород и азот подогреваются (процесс 4—5) в теплообменнике
Т Р до Т5 = Тос = 290 К.
Доля эксергии полученны х чисты х газов составляет:
еВх
639
em
639
О бщ ий эксергетический К П Д установки:
т)е = 4,3 + 2,4 = 6,7%.
Для уменьш ения потерь эксергии необходим более соверш енны й компрессор,
меньшая разность температур в теплообменнике, замена дросселя на детандер,
лучшая организация процесса в колонне.
Для наглядности на рис. 2-14в построена диаграмма потоко в эксергии (диа­
грамма Грассмана).
\т
^
СЖАТИЕ И РАСШИРЕНИЕ
ГАЗОВ
В производствах, использующих биотехнологии, по­
требляются сотни тысяч кубометров в час сжатых газов:
— для аэрирования культуральных жидкостей в про­
цессах биосинтеза;
— для транспортирования жидкостей и твердых мате­
риалов по трубопроводам;
— для распыления, перемешивания и измельчения ве­
шеств;
— для создания избыточного давления и аппаратах
и т. д.
Создание в аппаратах давления меньше атмосферно­
го, т.е. вакуума, также требует сжатия откачиваемого из
аппаратов газа, разница лишь в том, что в этом случае
газы всасываются из разреженной среды и сжимаются до
атмосферного давления (или несколько выше) с целью
вывода газа в атмосферу.
В промышленности на сжатие газов расходуется до 25%
потребляемой предприятиями энергии.
Обратный процесс — расширение газов, в частности
расширение водяных паров, имеет место в турбинах про­
мышленных ТЭ Ц для генерирования электроэнергии.
Расширение предварительно сжатых рабочих агентов
осуществляется в детандерах и дроссель-вентилях холо­
дильных и криогенных установок с целью понижения тем­
ператур рабочих агентов.
Сжатие и расширение газов происходит в двигателях
внутреннего сгорания.
Процессы в турбинах и в двигателях в данном учебнике
не рассматриваются.
90
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕРМ О ДИ Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И КА
❖
Глава 3
3.1. КО М ПРЕССО РЫ
3.1.1. Общие сведения
Компрессором называется энергетическая маш ина или устройство для повы ­
шения давления и перемещения газа или смесей газов (рабочей среды). (Здесь
и далее термины и определения, имеющиеся в ГО С Т 28567—90, даны из этого
ГОСТа). О бычно в компрессорах газы сжимаются от атмосферного до более
вы сокого давления.
По п р и н ц и п у действия компрессоры подразделяются на объемные и дина­
мические (называемые также лопаточны ми или ки нетически м и).
В компрессорах объемного действия рабочий процесс осуществляется в ре­
зультате ц и кл и че ско го изменения объемов рабочих камер. Эти компрессоры
бывают порш невы ми, мембранными, роторны ми.
В компрессорах динамического действия рабочий процесс осуществляется
путем динам ического воздействия на непреры вны й п оток сж имаемого газа.
К этим компрессорам относятся турбокомпрессоры и струйные компрессоры.
В связи с тем, что струйные компрессоры практически не применяю тся
в биотехнологиях, в этом разделе они не рассматриваются, а рассматриваются
струйны е вакуум-насосы в разделе 3.2.6. П р и н ц и п действия струйны х ком прес­
соров и вакуум-насосов одинаковы й.
П о давлению газа на выходе из компрессора — конечном у давлению ко м ­
прессора, различают компрессоры н изко го давления с конечны м давлением до
1,5 М П а ; среднего давления — от 1.5до 10 М П а ; вы сокого давления — от 10 до
100 М П а, сверхвысокого давления — от 100 М П а и выше.
По количеству подаваемого газа (по объемной производительности) бывают
малые (до 0,015 м3/с ), средние (от 0,015 до 1,5м3/с ) и крупны е (свыше 1,5 м3/с )
компрессоры.
В зависимости от сжимаемой рабочей среды различаются воздушные ко м ­
прессоры (только для сжатия воздуха) и газовые компрессоры: кислородные,
водородные, аммиачные и т. д.
Компрессоры общего назначения предназначены для сжатия атмосферного
воздуха до (0 ,8 ... 1,5) М П а и выполняются без учета специальных требований,
характерных для отдельных областей их применения.
Несмотря на различные п р и н ц и п ы действия и большие конструктивны е
различия компрессоров, с термодинамической то чки зрения процессы, проис­
ходящие в них, одинаковы.
В задачу термодинамического анализа входит установление условий, к о ­
торые могут обеспечить наибольш ую эффективность компрессоров, т.е. н аи­
меньш ую затрату внешней работы.
Сжатие и расширение газов
❖
91
3.1.2. Основные параметры
Основными величинами (параметрами), характеризующими работу ком ­
прессора, являются:
. объемная производительность I ’ — объемный расход газа на выходе из ком ­
прессора; обычно применяют объемную производительность компрессо­
ра, приведенную к начальным условиям, т.е. к условиям всасывания, V =
= m /p i, где т - массовая производительность компрессора, т.е. массовый
расход газа на выходе из компрессора, р\ — плотность газа при условиях
всасывания;
• начальное рг и конечное
дав.1ения — давления на входе в компрессор и на
выходе из него (давления всасывания и нагнетания):
• отношение дарении (устаревший термин — степень сжатия) д = />_>//'i . При
/? $ 1,1 компрессорные машины называются вентиляторами, они служат
для перемещения больших количеств газа практически без их сжатия, эги
машины рассматриваются в курсе процессов и аппаратов химической тех­
нологии. При 1,1 < d < 3.0 машины называются газодувками. Собственно
компрессоры — это машины с отношением давлении 1 > 3,0;
• начальная и конечная тем пературы компрессора — температуры газа на
входе в компрессор и на выходе из него:
• ч а сто та вращения п и мощность Л'ло на валу приводного двигателя
3.1.3. Поршневые компрессоры
В поршневом компрессоре изменение объемов рабочих камер осуще­
ствляется поршнями, совершающими прямолинейное возвратно-поступательное движение.
Поршневые компрессоры бывают простого и двойного действия.
В поршневых компрессорах простого действия, р и с .3 -I, газ всасывается
в цилиндр I через всасывающий клапан _?
при движении поршня 2 направо. При дви­
жении поршня налево всасывающий кла­
пан закрывается, газ сжимается в цилин­
дре до заданного конечного давления, при
котором открывается нагнетательный кла­
пан 4 и газ выталкивается в нагнетательную
линию. Возвратно-поступательное движение
поршня создает кривош ипно-ш атунны й ме­ Рис. 3-1. Поршневой компрессор
ханизм. 5 и 6 — вход и выход воды, охлажда­ простого действия
ющей цилиндр.
В поршневых компрессорах двойного действия, рис. 3-2, при движении
поршня 2 направо газ всасывается в левую часть цилиндра через левый кла-
92
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
1
Ч
Рис. 3-2. Поршневой компрессор двойнога действия.
Рис. 3-3. Двухцилиндровый компрессор
с цилиндрами двойного действия.
пан 5, одновременно происходит сжатие газа в правой части цилиндра и вы­
талкивание из нее через правый клапан 4'. При движении поршня налево
происходит всасывание газа через правый клапан 3' в правую часть цилиндра
и одновременное сжатие газа в левой части цилиндра и выталкивание из
нее через левый клапан 4 в нагнетательную линию. Компрессоры двойного
действия сложнее, но их производительность практически в два раза больше
и значительно равномернее (при одинаковой массе машины и занимаемой ею
площади).
Еще большую объемную производительность имеют многоцилиндровые
компрессоры. На рис. 3-3 изображен двухцилиндровый компрессор, в котором
происходит одновременно всасывание газа в оба цилиндра и нагнетание газа
из обоих цилиндров, причем цилиндры двойного действия. При вращении
коленчатого вала 2 поршни 1 и 3 движутся во взаимно противоположных
направлениях, в результате повышается динамическая уравновешенность ма­
шины.
3.1.4. Индикаторная диаграмма
Работа поршневых компрессоров иллюстрируется индикаторной диаграм­
м ой , представляющей собой зависимость давления р в цилиндре поршневой
машины от его переменного объема Vu.
Пусть точка D (см. рис. 3-4) соответствует крайнему левому положению
поршня, который в реальном компрессоре никогда не подходит вплотную
к крышке цилиндра. Пространство между крышкой цилиндра и поршнем,
находящемся в левом крайнем положении, называется м е р твы м простран­
с тв о м или вредным пространством, его объем V'M. Объем мертвого про­
странства выражается в долях от рабочего (полезного) Кпол объема цилиндра
VH = 7 V„ол, где 7 = VM/V no„ — относительны й объем мертвого простран­
Сжатие н расширение газов
❖
93
ства. В зависимости от конструкции компрессора и расположения клапа­
нов в цилиндре значение 7 изменяется в пределах от 0,025 до 0,06. Газ.
находящийся в мертвом пространстве
сжат до давления р2. При движении
поршня из левого крайнего положения
вправо начинается расширение газа,
находящегося в мертвом пространстве
(процесс DA). Давление газа уменьша­
ется до значения рд. которое несколь­
ко меньше давления p t во всасыва­
ющей линии. В положении поршня,
соответствующем точке А, под действи­
ем разности давлений р -р л открывается
всасывающий клапан, и газ поступает
в компрессор. Всасывание (линия АВ)
продолжается до достижения поршнем
правого крайнего положения (точка В).
Объем всасываемого газа:
^ вс ~ 7 н а іД п а і'
где 7 иіт = I ос/ 1 пол — коэффициент объ­
емного наполнения циіиндра компрессора (объемный коэффициент). Объемный
коэффициент компрессора должен быть более 0,7 и обычно достигает значения
0.85... 0.95.
При движении поршня из крайнего правого положения влево всасывающий
клапан закрывается и начннается сжатие газа (линия ВС) до давления, несколь­
ко превышающего давление в нагнетательной линии, при котором (в точке О
открывается нагнетательный клапан. Нагнетание происходит по линии CD.
3.1.5. Индикаторная работа компрессора
Внутренняя работа за один цикл процесса в рабочей камере компрессора
объемного действия называется индикаторной работой компрессора.
Работа всасывания газа при рд я= рв = Рi *= const
Vs
L ab =
j р Л і = р Л 'в - P
1V 4 .
у»
В процессе ВС, когда объем газа уменьшается от 1в по Г г. а давление увели­
чивается от рв а р , до рс ~ р-і< работа, затрачиваемая на сжатие газа:
vc
L вс
v'c
m
= j prfV'u = |{d(pV’u) - Va dp] =P}VC - p i V ’e - j Vu dp.
Vb
Vb
Р'
94
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О Д И Н АМ И КА И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А
О
Глава 3
Работа выталкивания газа при рс » р о = № = const
V’d
= j
Lcd
=ргУд —p iV c -
Vc
Работа, получаемая при расширении газа, оставшегося в мертвом пространстве
цилиндра (принимается
р \)
L da =
j
pdVu =
j
[rf(pV'u) -
Vu dp]
= PiVA - p iV o -
j Vudp,
Гцг/рлгО,
так как эта работа в компрессорах незначительна и не используется.
Работа всего цикла
L = L ab + L bc + L c d + L p a -
После подстановки величин и преобразований получается:
. = - j V'udp.
Величина L отрицательна, так как для сжатия газа в компрессоре работа за­
трачивается, т.е. подводится от внешнего источника. Величина I называется
технической работой компрессора, она существенно отличается от L b c — соб­
ственно работы сжатия газа в цилиндре компрессора.
Если обозначить массу газа, поступившего в цилиндр компрессора, сжатого
в нем и вытолкнутого из него, mu, то Г, = vrnu. Удельная работа, т.е. работа
для одного килограмма газа:
=-jvdp.
Это выражение есть уравнение для располагаемой работы (см. формулу (1.8)).
Говоря о работе компрессора, знак «минус» опускают, так как компрессор
всегда потребляет энергию. Далее в разделе 3.1 удельная работа компрессора
обозначена:
I = f vdp.
(3.1)
3.1.6. Политропный, адиабатный и изотермный компрессоры
Любой реальный процесс сжатия газа в компрессоре описывается уравне­
нием политропы (см. формулу 1.35). В результате работа компрессора может
быть рассчитана по уравнению (1.38).
Сжатие и расширение гапов
❖
95
Простейшая теория компрессорных процессов основывается на термодина­
мике идеального газа. Расчет компрессоров для воздуха с конечным давлением
до 1 0 МПа по уравнениям термодинамики идеального таза приводит к погреш­
ности около 2%, что допустимо для инженерного расчета.
Для идеального газа, состояние которого подчиняется уравнению (1.3). при
политропном процессе работа компрессора, согласно уравнению ( 1.39);
Температура газа в конце политропного сжатия рассчитывается по уравне­
нию (1.42).
Количество теплоты, выделяющееся при сжатии одного килограмма газа
в компрессоре, может быть рассчитано из уравнения первого закона термоди­
намики для потока газа — уравнения (1.55). В компрессорах скорость газа на
входе и выходе из машины примерно одинакова, т.е. dw = 0 ; высота также не
изменяется dZ = 0; -Л /те, = <51, тогда
(3.3)
6цт = dh - St.
В том случае, когда в процессе сжатия газа в компрессоре теплота не
отводится fiqB„ - 0 , процесс является адиабатным, и компрессор называют
адиабатным. Работа такого компрессора
(3.4)
&Іш = д һ ,
т.е. работа компрессора может быть определена по диаграмме состояния газа,
если известны начальные и конечные параметры газа (см. рис. 3-5).
Работа компрессора при идеальном адиабатном сжатии газа может быть
рассчитана также по уравнению (1.30):
IJSI
Температура газа в конце адиабатного сжатия рассчитывается по уравнению
(1.34).
Если в процессе сжатия происходит такое охлаждение газа, что его тем­
пература не изменяется (Г, = Т2 = Г), то компрессор называют изатермным.
Работа такого компрессора может быть рассчитана по уравнению (1.21):
I, = R T Ïn — = p i’ ln — •
Pi
Pi
(3.6)
Для изотермного процесса идеального газа u i= « j и Pit’i ~Р2 ” г- т.е. dh = 0.
96
❖
ТЕХН ИЧЕСКАЯ ТЕ РМ О Д И Н АМ И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И К А
❖
Глава 3
а
Р
б /
р2/
5А
1/
3 2
/
4
6
Р\
5
1
s
v
6
в
Рис. 3-5. Изображение процессов сжатия в компрессорах на диаграммах h - s .T - s, р - v.
Тогда с учетом ранее сделанных допущений: dw = 0, d Z = 0, - d /rex=d/, получаем
из уравнения (1.55):
6qbh = -S it(3.7)
Таким образом при идеальном изотермном сжатии газа в компрессоре, затрачи­
ваемая работа и отводимая теплота равны по значению. На сжатие газа в ком­
прессоре затрачивается минимальная работа, если отводится вся образующаяся
при сжатии газа теплота. Отводимая теплота для изотермного процесса может
быть рассчитана также, согласно уравнению (1.2), по изменению энтропии газа
Явн = Т Л з.
(3.8)
Процессы идеального (пунктирные линии) и реального (сплошные линии)
сжатия в компрессоре в различных координатах изображены на рис. 3-5. Для
Сжатие и расширение газов
❖
97
всех процессов: 1 — исходное состояние газа при всасывании при давлении pi
и температуре Г ,, ро — давление газа после сжатия. 1 - 2 идеальный изотермный
процесс; 1 -3 реальный изотермный процесс; 1 -4 политропный процесс; 1 -5
идеальный адиабатный процесс: 1—6 реальный адиабатный процесс.
Отличие идеального процесса сжатия газа в компрессоре от реального ха­
рактеризуется относительным внутренним термодинамическим К П Д , который
равен отношению работы компрессора в идеальном процессе / к работе ком­
прессора в действительном процессе /л.
(3.9)
Термодинамический КП Д учитывает: потери на сопротивления при всасыва­
нии и нагнетании, а при наличии клапанов потери на преодоление их со­
противлений; потери, связанные с ухудшением фактического процесса сжа­
тия по сравнению с теоретическим из-за трения «частиц» газа между собой
и из-за вихреобразования. Для адиабатного (неохлаждаемого) компрессора
Ы = 0,7...0,9. Для изотермного (хорошо охлаждаемого) компрессора tj, =
= 0,6. .0,8. Термодинамический КП Д сравнивает несуществующий идеальный
процесс с реальным процессом в компрессоре.
Эксергетический К П Д компрессора сравнивает минимально возможную ра­
боту на сжатие газа (затраты эксергии Л г) в действительном процессе, с затра­
ченной компрессором работой:
(3.10)
В том случае, если теплота
отводимая при охлаждении газа, используется,
эксергетический КП Д увеличивается за счет эксергии е, этой теплоты:
На рис. 3-6 показаны процессы в компрессоре в координатах е - Һ.
В обратимом изотермном процессе 1—2 температура газа остается посто­
янной и обычно равной Тж . Поэтому т, - 0, и эксергия ея теплового потока,
отводимого от газа в окружающую среду, равна нулю. В необратимом процессе
1 -3 температура газа в процессе сжатия отличается от температуры окружаю­
щей среды, но так как теплота отводится в окружающую среду, условие е, = 0
сохраняется. Поэтому для любого изотермного сжатия
I, =Ле,1_2)+
(3.12)
В частном случае обратимого процесса, когда
d = 0, работа компрессора
равна подводимой эксергии и может быть определена по диаграмме e — h. Для
изотермного процесса эксергетический КП Д равен термодинамическому КПД.
При адиабатном сжатии е„ = 0, так как отсутствует отвод теплоты ч„„ = 0.
Обратимое адиабатное сжатие изображается на рис. 3-6 прямой 1—5, идущей
4-4675
98
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава 3
Рис. 3-6. Изображение процессов сжатия в компрессорах на диаграмме е - Һ.
по л инии s = const. М инимальная работа равна A e(1_ s) =
диаграмме видно, что
По е - h
^e(i-5)> Ae(i-2)Превыш ение адиабатной работы над изотермной равно Л е(2_5).
В реальном адиабатном процессе 1—6 часть работы компрессора затра­
чивается на трение и переходит во внутренню ю энергию газа, повы ш ая его
энтальпию К > һъ. Поэтому и эксергия газа в конце процесса возрастает е6 >
> es. О днако величина A e(1_6) не равна работе реального адиабатного про­
цесса, а соответствует суммарной эксергии, которую нужно подвести к газу
в виде работы и эксергии теплоты, чтобы провести процесс 1 -6 обратимо.
Д ействительная работа адиабатного процесса
больш е, чем Д е(і_ 6), так
как энергия, передаваемая газу и идущая на его нагрев, получается за счет
работы, что ведет к потери эксергии.
Процесс 1—4 занимает промежуточное положение между изотермой и изоэнтропой и в отличие от процесса 1—6 проходит с отводом теплоты. Работа
реального процесса 1—4 не может быть снята с диаграммы , так же как и работа,
нужная для проведения любого другого необратимого процесса, за исклю ­
чением адиабатного, где Sq = 0. Во всех процессах сжатия (и расш ирения),
связанны х с теплообменом, необратимый переход работы в теплоту не может
быть количественно отражен на диаграмме состояния. Затраченная работа при
одном и том же начальном и конечном состояниях может быть больше или
меньше. Соответственно изменится только отвод теплоты в окружающую среду.
В необратимом процессе отвод теплоты всегда больше.
Сравнение затрат энергии в охлаждаемом и неохлаждаемом компрессорах
дано в ниж еприведенном примере.
Сжатие и расширение газов
-Ф
99
Пример 3.1. Сравнить затраты энергии на сжатие воздуха до 0 МПа в охла­
ждаемом (изотермном) и неохлаждаемом (адиабатном) компрессорах. Рассчи­
тать количество отводимой теплоты в обоих случаях, если требуемая темпе­
ратура воздуха не более 30 °С.
Решение. Показатель адиабаты для воздуха к = 1,40; удельная газовая посто­
янная Я = 287Дж/(кг-К) (см. прил. 10). Пусть при всасывании давление воздуха
р, = 0.1 МПа; температура воздуха Т, = 273 + 30 = 303К. Давление нагнетания
Р2 = 0.8 МПа. При изотермном сжатии на выходе из компрессора температура
воздуха Г2( = Гі = 303 К.
Удельная работа изотермного компрессора рассчитывается по уравнению
(3.6):
0,8
.
/, = 287 ■303 • In — = 1,8 ■1 0 'Дж/кг.
Количество теплоты, отводимой от воздуха в процессе изотермного сжатия,
равно по значению подведенной работе согласно уравнению (3.7):
gD„ = 1,8 • 10s Дж/кг.
Удельная работа адиабатного компрессора рассчитывается по уравнению (3.5),
где, согласно уравнению (1.3). p\v\ = RTt :
'ал =
• 287 • 303 •
/0£\
= 2,5 ■10" Дж/кг.
Vo.ij
Таким образом, в рассматриваемом примере, работа, затрачиваемая адиабат­
ным компрессором, больше работы изотермного компрессора на
1,8■
10°
После сжатия в адиабатном компрессоре температура воздуха определяется
по уравнению (1.34):
Г2ад = 303
М
= 549 К.
После адиабатного сжатия в компрессоре воздух нзобарно охлаждается в хо­
лодильнике. После охлаждения воздух также имеет температуру Г2охл = 303 К.
Средняя температура воздуха в процессе охлаждения
549 + 303 _
2
к = ідЗ °С .
Теплоемкость воздуха при этой темперазуре ср = 10Ю,2Д ж/(кг К) (см. ггрил. 9).
Количество теплоты, отводимой от воздуха в изобарном процессе согласно
уравнению (1.17):
?о*л = 1016,2 • (549 - 303) = 2,5 • 105Дж/кг.
Таким образом после адиабатного сжатия от воздуха отводится теплоты на
100
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛО ТЕХ НИ КА
❖
Глава 3
больше, чем в процессе изотермного сжатия.
Из приведенного примера видно, что изотермный (охлаждаемый) компрес­
сор потребляет меньш е энергии на сжатие и охлаждение газа по сравнению
с адиабатным (неохлаждаемым) компрессором, где охлаждение газа также
необходимо, но осуществляется после сжатия газа.
3.1.7. П
р
е
д
е
ло
д
н
о
с
т
у
п
е
н
ч
а
т
о
г
ос
ж
а
т
и
я
.М
н
о
г
о
с
т
у
п
е
н
ч
а
т
о
е
с
ж
а
т
и
е
С увеличением отнош ения давлений /? значение коэф ф ициента объемного
наполнения унап снижается и может стать равным нулю. О тнош ение давлений,
при котором 7„ап = 0, называется объемным пределом сжатия. В этом случае
газ, находящийся в мертвом пространстве, расш иряясь, занимает весь объем
цилиндра, и всасывание становится невозможным.
Еще одним ограничением, обуславливающим сравнительно небольшое до­
пустимое отнош ение давлений в ступени, является температура газа в конце
сжатия, которая не долж на быть выше 170°С. При более высоких температу­
рах возможно возгорание компрессорных смазочных масел. При нормальной
работе компрессора среднего давления температура сжатого газа не должна
превышать (1 1 5 ... 145) °С.
П рактически для ком прессоров с больш ой объемной производительностью
и при охлаждении цилиндра отнош ение давлений
^ 4. Д ля малых ком­
прессоров отнош ение давлений может быть повы ш ено до 8. Если необходимо
более высокое отнош ение давлений, то процесс сжатия ведется в нескольких
ступенях.
Ступень компрессора — это совокупность элементов компрессора, обеспе­
чиваю щ их повыш ение давления и перемещ ение газа в определенном интервале
давлений внутри заданного диапазона.
Одноступенчатый компрессор повыш ает давление газа от начального значе­
ния до конечного одной ступенью.
Многоступенчатый компрессор повышает давление газа от начального зна­
чения до конечного последовательным сжатием более чем в одной ступени.
При переходе из одной ступени в другую или после нескольких ступеней
газ охлаждается в промежуточных охладителях. Энергетически целесообразно,
если отнош ение давлений газа во всех ступенях одинаково и равно примерно
/? « {2,5...3,5). Если число ступеней компрессора z и давление газа после
последней ступени равно p z+\, то отнош ение давлений в каждой ступени
(3.13)
С/Катие и расширение газов
О
101
Рис. 3-7. Изображение на диаграмме T - s процессов сжатия и охлаждения газа в
многоступенчатом компрессоре.
На рис. 3-7 в Г - s координатах показаны процессы адиабатного сжатия 1—
2, 20Ш~3, 3охл- 4 , 40хл- 5 в четырехступенчатом компрессоре, а также процессы
изобарного охлаждения газа 2~2охл, 3 - 3 охл, 4 - 4 охл, 5 - 5 ow между ступенями.
Работа сжатия газа во многоступенчатом компрессоре рассчитывается по
тем же формулам, что и для одноступенчатого компрессора, но с учетом числа
ступеней сжатия г. При адиабатном сжатии в ступенях:
U=
- l]i
<3|4>
при изотермном сжатии в ступенях
I, = zRTi In 3,
(3.15)
где 9 — отношение давлений газа в одной ступени.
Температура газа после каждой адиабатной ступени сжатия рассчитывается
по формуле (1.34), где p-j/Pt = 0- Температура газа после охлаждения между
ступенями обычно на (8 . . . 10) К больше температуры газа на входе в первую
ступень, т. е. Гохл = Г] + (8 ... 10), следовательно
Тз = І 4 = ï* = ■• • =
- Тохл0 *
(3.16)
Увеличение количества ступеней усложняет конструкцию и увеличивает стои­
мость компрессора. С другой стороны, многоступенчатое сжатие с промежуточ­
ным охлаждением обуславливает меньшие затраты энергии на сжатие газа, так
как приближает рабочий процесс компрессора к изотермному. В этом случае
работу компрессора рассчитывают по уравнению (3.6), подставляя вместо р-,
давление на выходе из компрессора.
3.1.8. М
н
о
г
о
с
т
у
п
е
н
ч
а
т
ы
еп
о
р
ш
н
е
в
ы
ек
о
м
п
р
е
с
с
о
р
ы
Двухступенчатые горизонтальные компрессоры изготавливают одноцилин­
дровыми со ступенчатым (дифференциальным) поршнем (рис. 3~8а). Вначале
газ сжимается в цилиндре с левой стороны поршня, затем проходит через хо­
лодильник .V и поступает в цилиндр с правой стороны поршня, где сжимается
до заданного давления.
102
О-
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава
Рис. 3-8. Многоступенчатые поршневые компрессоры: а - со ступенчатым поршнем; 6
оппозитный; в - прямоугольный.
Сжатие il расширение газов
О
103
Получили распространение оппозитные компрессоры: осп цилиндров этих
компрессоров расположены в двух противоположных от коленчатого вала на­
правлениях и лежат в горизонтальной плоскости (рис. 3-86). Скорость враще­
ния вала таких компрессоров может быть увеличена в 2 -2 .5 раза, что повышает
производительность компрессора. Возможно Г-обраіное расположение осей
цилиндров. Ш -образное. звездообразное, прямоугольное. На р и с.3-8« изоб­
ражен прямоугольный компрессор. На всех рисунках 3-8 римскими цифрами
обозначены ступени компрессора.
Выбор схемы компрессора зависит от назначения компрессора, условий
эксплуатации, производительности, рабочего давления, числа ступеней и рас­
пределения давления между ними. От схемы компрессора зависят размеры,
масса и динамическая уравновешенность машины.
По характеру расположения осей цилиндров компрессоры подразделяются
на вертикальные и горизонтальные.
В вертикальных компрессорах смазочный материал, поступающий в ци­
линдр, равномерно распределяется по рабочей поверхности, а попадающие
вместе с ним или газом твердые частички оседают не на цилиндрической,
а на торцевой поверхности поршня, которая не соприкасается с внутренней
поверхностью цилиндра. Поэтому вертикальные компрессоры меньше изнаш и­
ваются и имеют лучшую герметичность уплотнений. Силы инерции возвратнопоступательно движущихся масс в вертикальных компрессорах действуют на
фундамент вертикально, что повышает устойчивость компрессоров и позволяет
использовать фундаменты меньшей массы. Отмеченные преимущества позво­
ляют выполнять вертикальные компрессоры более быстроходными.
Горизонтальные компрессоры лишены преимуществ вертикальных машин.
Однако они более просты в обслуживании.
Наиболее совершенными с точки фения динамической устойчивости явля­
ются прямоугольные компрессоры, '^ти компрессоры выполняют высокообо­
ротными. их фундаменты имеют большую массу.
Перечисленные особенности поршневых компрессоров предопределяют
области их применения. Вертикальная схема наиболее целесообразна для вы­
сокооборотных компрессоров с малым числом ступеней. Горизонтальная схема
используется в основном для относительно тихоходных стационарных ком­
прессоров с большой объемной производительностью. Прямоугольная схема
обычно применяется для передвижных компрессорных установок.
По числу рядов цилиндров компрессоры подразделяются на однорядные
и многорялные. Однорядные просты по конструкции. Многоступенчатые го­
ризонтальные компрессоры обычно выполняются по одно-, двух-, чегырехи шестирядной схеме.
К наиболее прогрессивным схемам относятся горизонтальные компрессоры
с оппозитным расположением цилиндров относительно вала в двух или более
рядах.
104
О
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
П оршневые компрессоры используются для сжатия газов до средних и вы­
соких давлений, но, соответственно, при средних и малых производительно­
стях. Недостатками порш невых компрессоров являются: сложность конструк­
ции и высокая стоимость; тихоходность и невозможность прямого соединения
с электродвигателем; множество бы строизнаш иваю щ ихся трущихся деталей;
загрязнение сжимаемых газов смазочными маслами и недопустимость вса­
сы вания загрязненных газов; неравномерность всасывания и объемной про­
изводительности; сложность обслуживания. Представляется целесообразным
перевод порш невых ком прессоров на работу без смазки цилиндров и сальни­
ков. Для этого производят замену чугунных порш невых, сальниковых и мас­
лосъемных колец на кольца, выполненные из наполненных фторопластов.
Для предотвращения касания порш ня о зеркало цилиндра на нем устанавли­
ваются направляю щ ие кольца или опорны е сегменты, изготавливаемые так­
же из наполненных фторопластов. Система смазки цилиндров и сальников
демонтируется.
3.1.9. Р
о
т
о
р
н
ы
ек
о
м
п
р
е
с
с
о
р
ы
Роторные компрессоры относятся к классу объемных компрессоров. В них,
как и у порш невых компрессоров, сжатие газа происходит в замкнутом про­
странстве при уменьш ении объема. В отличие от порш невых компрессоров
рабочие камеры образуются расточкой корпуса и размещ енны м в ней рото­
ром (роторами), а изменение объемов рабочих камер происходит в результате
вращения ротора (роторов). Роторные компрессоры бывают пластинчатыми,
жидкостно-кольцевы м и, с катящ имся ротором, роторно-порш невы ми, винто­
выми, шестеренчатыми, трахоидными.
На рис. 3-9 приведена схема роторного пластинчатого компрессора. В ци­
линдрическом корпусе 5 вращается эксцентрично установленный в нем ротор
1, представляющий собой вал. В роторе имеются пазы, в которые вставлены
рабочие пластины 2, способные свободно перемещаться в радиальном направ­
лении. При вращении ротора под действием центробежной силы пластины
выдвигаются и их концы прижимаются к корпусу, при этом в серповидном
пространстве между корпусом и ротором образуются замкнутые камеры 3.
Объем этих камер увеличивается от положения а до положения б в направ­
лении вращения ротора (на данном рисунке по часовой стрелке), при этом
происходит всасывание газа. При дальнейшем повороте ротора объем этих
камер уменьшается от положения б до положения в, происходит сжатие газа.
М инимальны й объем имеет камера 6, из которой газ поступает в нагнетатель­
ный патрубок 7. Зазор между ротором и корпусом в его нижней части образует
мертвое пространство (на рисунке не показано). Это пространство соединено
с пространством сжатия газа перепускным каналом, в результате уменьшается
количество газа в мертвом пространстве, следовательно, увеличивается количе-
Сжатие il расширение газов
❖
105
Рис. 3-9. Пластинчатый компрессор
ство всасываемого газа, т.е. повышается коэффициент объемного наполнения.
Корпус компрессора имеет водяную рубашку для охлаждения.
Отношение давлений газа обычно равно ( 3 ...4 ) в одноступенчатых маши­
нах и (8 ... 15) в двухступенчатых.
Ротор, имеющий не менее 20 пластин (для снижения перепада давления
между соседними ячейками и уменьшения утечки газа), во избежании бы­
строго износа пластин врашается со скоростью на внешней кромке пластины
не более (1 0 ... 12)м/с. Но. в связи с необходимостью обеспечения плотного
прилегания пластин к внутренней поверхности корпуса, эта скорость не бывает
ниже (7 ,5 ... 8) м/с. Обе предельные скорости обычно достаточны для непо­
средственного соединения компрессора с электродвигателем: число оборотов
ротора в минуту находится обычно в пределах (750... 1500).
Пластинчатые компрессоры по сравнению с поршневыми значительно проше по устройству, требуют в 5 ... 6 раз меньшей площади, имеют равномерную
объемную производительность, небольшой вес и не нуждаются в тяжелых фун­
даментах.
Недостатком пластинчатых компрессоров является высокий износ пластин,
из-за чего нарушается герметичность рабочих камер и происходит уменьшение
отношения давлений, а также загрязнение сжимаемого газа продуктами износа
пластин.
Жидкостно-кольцевые компрессоры используются обычно для откачки воз­
духа и создания вакуума, так же как шестеренчатые компрессоры, ранее на­
зываемые машинами типа «Руте» (см. раздел 3.2.5).
106
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА 11 ТЕПЛО ТЕХ НИ КА
-0-
ГлаваЗ
Рис. 3-10. Винтовой компрессор
Винтовой компрессор (рис. 3-10) состоит из корпуса 1, ведущего 3 и ведо­
мого 2 роторов с зубчато-винтовыми лопастями, шестерен синхронизирующ ей
связи 4. Роторы вращаются в противополож ных направлениях. О кна для вса­
сывания и выталкивания газа расположены в противополож ных углах корпу­
са. При вращ ении роторов газ из всасывающего окн а поступает во впадины
роторов. При дальнейш ем вращ ении происходит отсечка рабочей камеры от
всасывающего окна, и газ остается в замкнутом объеме, который уменьшается
по мере того, как зубья одного ротора входят во впадины другого. При этом
газ сжимается и по окончании сжатия нагнетается в нагнетательное окно.
Винтовые компрессоры по способу охлаждения бывают маслозаполнен­
ными и сухого сжатия. В маслозаполненных компрессорах охлаждение газа
происходит за счет впры скивания в рабочие полости роторов масла или другой
ж идкости, что не всегда допускается. В компрессорах сухого сжатия для охла­
ждения газа в корпусе предусматриваются водяные рубашки.
Винтовые компрессоры бывают одно- и двухступенчатыми с максималь­
ными отнош ениями давлений в компрессоре соответственно 4 и 15. П роиз­
водительность может достигать 10м3/с . Частота вращ ения роторов находится
в пределах (1000... 10000)об/м и н , окруж ные скорости превышаю т 150м/с.
Д остоинства винтовых компрессоров: равном ерность объемной производи­
тельности. компактность, малая масса, надежность в эксплуатации, отсутствие
трения в полости сжатия, высокие КПД в большом диапазоне изменения
производительности. К недостаткам винтовых компрессоров следует отнести
сложность изготовления винтовых роторов и высокий уровень шума при работе
этих маш ин.
Винтовые компрессоры используются в низкотемпературных холодиль­
ных установках, так как они имеют низкий предел давления всасывания
( 5 ...2 к П а ) . И з-за низкой скорости и плавности потока вдоль роторов эти
компрессоры применимы также в теплонасосны х установках (см. раздел 4.10)
для сжатия влажного пара; возможность сжатия влажного пара позволяет обхо­
диться при больших отнош ениях давлений в компрессоре без промежуточного
охлаждения.
Сжатие и расширение газов
-Ф
107
Все роторные компрессоры применяются при средних подачах и низких
давлениях. Сухие роторные компрессоры работают 6e j внутренней смазки и,
следовательно, не загряшяют сжимаемый газ смазочными маслами, что весьма
существенно для некоторых технологических процессов. Однако они сложны
в изготовлении и в обслуживании (за исключением жидкостно-кольцевых).
Расчет работы сжатия газа определяется по тем же формулам, что и для
поршневых компрессоров.
3.1.10. Т
у
р
б
о
к
о
м
п
р
е
с
с
о
р
ы
Турбокомпрессор — это компрессор динамического действия, в котором воз­
действие на поток сжимаемого газа осуществляется вращающимися решетками
лопаток. Наибольшее применение находят центробежные компрессоры, являю­
щиеся радиальными турбокомпрессорами, в которых поток во вращающихся
решетках лопаток в меридиальной плоскости направлен от центра к перифе­
рии. Вращающийся элемент ступени турбокомпрессора, включающий решетку
лопаток и передающий энергию потоку газа, называется рабочим колесом.
Основными элементами центробежного компрессора (рис. 3-11) являются:
рабочее колесо / с лопатками 4 и диффузор 2 (рис. 3-11 б). Вращаясь с большой
скоростью, колесо увлекает с собой газ, сообщая ему кинетическую энергию.
Под действием центробежной силы газ выбрасывается в диффузоры, где кине­
тическая энергия переходит в энергию давления (см. раздел 1.5). Совокупность
диффузоров, называемая направляющим аппаратом 5. представляет собой си ­
стему неподвижных лопастей, охватывающих рабочее колесо и направленных
в сторону, обратную рабочим лопаткам, в соответствии с направлением газо­
вых струй, выходящих из колеса. Рабочее колесо может быть выполнено без
лопаток. Виды рабочих колес показаны на р и с.3-\1д.
При стекании газа под действием центробежной силы с рабочего колеса
у его оси образуется разряжение, благодаря чему создается непрерывный поток
газа через всасывающий патрубок 6 (рис. 3-1 lot.
При работе одного колеса с направляющим аппаратом, образующих
ступень центробежного компрессора, отношение давлений в ступени J —
= (1,6...2,0). Значение величины i зависит от размеров и формы колеса
и диффузора, а также от частоты вращения колеса. Для увеличения отношения
давлений в компрессоре размешают несколько колес на одном валу в общем
кожухе машины. В этом случае по выходе из системы диффуюров 2 (рис. 3-116)
газ обратным каналом 3 подводится ко второму колесу. Пройдя последова­
тельно все ступени, сжатый газ уходит в нагнетательный трубопровод через
патрубок 8 (рис. 3-11д). Скорость выхода газа из последнего направляющего
аппарата может достигать 50 м/с, поэтому для понижения ее до уровня
скорости в нагнетательном газопроводе кожух машины делается спиральным
и заканчивается расширяющимся коническим патрубком (улиткой).
108
О
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
IW
Рис. 3-11. Центробежный компрессор: а - общий вид; б - схема рабочего колеса с
направляющим аппаратом; в - расположение колес при одностороннем всасывании; г расположение колес при двустороннем всасывании.
Сжатие и расширение газов
О
109
На практике встречаются различные варианты расположения рабочих ко­
лес в кожухе машины. На рис. 3-1 le показано всасывание гада с одного
кониа вала и нагнетание его с другого конца. На рис. 3-11г газ всасыва­
ется с двух противоположных концов и удаляется общим потоком в се­
редине кожуха. Последний вариант компактнее и освобождает машину от
осевых усилий.
По ходу сжатия газа его давление увеличивается, а объем уменьшается,
поэтому уменьшается ширина и диаметр рабочих колес (см. рис. 3-11а).
По мере увеличения отношения давлений в компрессоре возрастает
температура газа и, следовательно, расход энергии. Кроме охлаждения
корпуса машины водяной рубашкой (внутреннего охлаждения) предусмат­
ривается внешнее охлаждение в промежуточных холодильниках, устанав­
ливаемых после нескольких ступеней, обычно один холодильник после
‘2 ... 4 ступеней. Например, на общем виде центробежного компрессора,
изображенном на рис. 3-11а, имеются три промежуточных холодильника 7.
Внешнее охлаждение газа происходит более интенсивно, так как поверх­
ность охлаждения промежуточного холодильника значительно больше, чем
водяной рубашки.
Работа центробежного компрессора рассчитывается по тем же уравнениям,
что и для поршневого компрессора.
Характеристиками центробежных компрессоров являются зависимости
давления нагнетания p-j (или отношения
давлений в компрессоре), мощности на
валу Д7„ и КПД t) от объемной производи­
тельности Г компрессора при постоянной
частоте вращения п рабочего колеса. Эти
характеристики строятся на основании ис­
пытания машины. Кривая зависимости p-j
от V' (см. рис. 3-12) имеет максимум, левее
которого располагается область неустой­
чивой работы машины — помпажа. харак­
теризующаяся последовательно чередую­
щимися нагнетанием газа в сеть и выбра­
Рис. 3-12. Характеристики центробежсыванием газа из сети на всасывание.
На кривой зависимости г; от Г имеет­
ся экстремальная точка, соответствующая
конкретной паре значений
и V, при которых машина работает с максималь­
ным КПД г/ = чтлх.
Рабочая точка машины — это ее характеристики при соответствии раз­
виваемого машиной давления р-_> гидравлическому сопротивлению сети рс т ,
в которую машина подает сжатый газ. На рис. 3-12 это точка Л. мощность на
110
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
валу компрессора при этом N ba , производительность компрессора V'A, КПД ;/Л,
Ж елательно, чтобы в рабочей точке КПД маш ины был максимальным.
На одном графике могут быть даны характеристики для одной или несколь­
ких частот вращения п одной маш ины. Такое семейство кривых называется
универсальной характеристикой маш ины. Пересчет характеристик центробеж ­
ных компрессоров производится по законам пропорциональности:
(3.17)
Д остоинствами центробежных компрессоров по сравнению с порш невыми яв­
ляются их простое устройство и надежность действия, компактность, меньший
вес и занимаемая площ адь, более легкие фундаменты, непрерывность и равно­
мерность объемной производительности, возможность непосредственного со­
единения с электродвигателем, более низкая стоимость и легкость обслужива­
ния. Отсутствие внутренней смазки и, следовательно, загрязнения газа маслами
часто определяет выбор именно этого типа компрессора в биотехнологиях.
По объемной производительности они относятся к крупным компрессорам
низкого и среднего давления. При малых производительностях КП Д машины
снижается, возможно попадание в область помпажа (см. рис. 3-12).
3.1.11. О
с
е
в
ы
ек
о
м
п
р
е
с
с
о
р
ы
Осевой компрессор — это турбокомпрессор, в котором поток во вращающ их­
ся реш етках лопаток в меридиональной плоскости имеет в основном осевое
направление.
Область применения осевых компрессоров ограничивается объемной про­
изводительностью, которая превышает 4 м 3/с , а верхний предел достигает зна­
чений 170м3/с. По отнош ению давлений в компрессоре они являю тся маш и­
нами низкого давления и в виду этого не имеют охлаждения. Им присущи
все достоинства центробежных компрессоров. Кроме того они имеют более
высокий термодинамический КП Д, который составляет ;/ад = (0 ,90... 0,92).
Основными частями осевого компрессора (рис. 3-13) являются ротор / с ра­
бочими лопатками 2 и корпус 4, к внутренней поверхности которого прикреп­
лены направляющ ие лопатки 3 и 5. Лопатки ротора являются как бы частью
винтовой поверхности, а окружающ ий газ служит «гайкой». При вращении
такого винта газ («гайка») будет поступательно перемещаться в осевом на­
правлении справа налево, участвуя одновременно во вращательном движении.
Каждый поперечный ряд рабочих лопаток 2 и соседний ряд направляющ их
лопаток 3 образует одну ступень. Кинетическая энергия, сообщ аемая газу
вращающ имися рабочими лопатками 2, превращается при проходе газа через
направляющ ие лопатки 3 в энергию давления. Газ входит в компрессор через
патрубок 6, закручивается лопатками 5, проходит вдоль оси последовательно
О-катие и расширение газов
❖
111
Рис. 3-13. Осевой компрессор
через все ступени и, сжатый до требуемого конечного давления. уходит мере j
патрубок 7 в напорный газопровод. Отношение давлений в одной ступени
обычно не превышает 1,15... 1.20, поэтому для достижения более высокого
отношения давлении осевые компрессоры имеют большое число ступеней (до
20). При этом окружная скорость ротора доходит до 100м/с. Привод осевых
компрессоров осуществляется от паровых или газовых турбин со скоростью
врашения (5000... 5500) об/мин.
Так как давление газа повышается при движении его от ступени к ступени,
а объем уменьшается, то высота лопаток также соответственно уменьшается.
При уменьшении высоты лопаток снижается КПД ступени. Поэтому в некото­
рых случаях тр и -ч е т ы р е последние ступени осевого компрессора заменяются
одной центробежной ступенью.
3.1.12. О
х
л
а
ж
д
е
н
и
ек
о
м
п
р
е
с
с
о
р
о
в
При сжатии газов и вследствие трения деталей компрессора выделяется
большое количество теплоты. Температура сжатого воздуха в конце каждой
ступени сжатия (как было показано в разделе 3.1.7) должна быгь не выше
170°С. Правильный режим охлаждения имеет большое значение для надежной
и безопасной эксплуатации компрессорной установки, снижения энергозатрат
и увеличения объемной производительности Непосредственное охлаждение
корпуса компрессора подачей воды в специально выполненные в нем полости
(внутреннее охлаждение) обычно недостаточно, поэтому газ дополнительно
охлаждается в специальных охладителях (выносное охлаждение), которые уста­
навливаются между ступенями и после последней ступени (концевой холодиль­
ник).
Подвод охлаждающей воды к корпусу компрессора и к выносным охлади­
телям должен быть выполнен снизу, а отвод нагретой воды — сверху. Система
112
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
охлаждения компрессора должна иметь видимый контроль подачи воды ко всем
охлаждаемым частям маш ины или быть оборудована автоматической сигнали­
зацией.
Температура сжатого воздуха после охлаждения в промежуточном охла­
дителе не долж на превышать температуру охлаждающей воды более чем на
( 1 2 ... 15)К. Температура нагретой воды после охлаждения компрессора не
долж на превышать 4 0 °С. Нормальный нагрев (перепад температуры) охлажда­
ющей воды (1 0 ... 15) К. Температуру охлаждающей воды следует измерять до
и после каждой охлаждаемой части компрессора.
Вода, применяемая для охлаждения компрессоров, не долж на содержать
механических примесей (ил, песок и т. п.), и иметь жесткость не более
7 м к-экв/л.
По технологическому признаку различаю т прямоточную и циркуляцион­
ную схемы охлаждения компрессоров. Прямоточную схему применяю т только
в тех районах, где есть источники воды, отвечающей выш еприведенным требо­
ваниям. В такой схеме нагретая вода сливается в канализацию или использу­
ется для бытовых нужд. Ц иркуляционны е (оборотные) водяные схемы бывают
открытого и закрытого типов.
В открытых оборотных схемах предусмотрено охлаждение нагретой воды
в градирнях или брызгательных бассейнах. Преимуществом такой схемы яв ­
ляется незначительное потребление свежей воды, а недостатком — высокая
температура воды в летний период.
В закрытых оборотных схемах вода также используется многократно, но
охлаждается в теплообменнике без прямого контакта с охладителем.
В качестве промежуточных охладителей используются кожухотрубчатые
теплообм енники, теплообменники пленочного типа.
Иногда охлаждение газов в компрессорах производится впрыскиванием
воды в поток газа перед первой ступенью, вода испаряется, забирая теплоту
выделяющуюся при сжатии газа. О днако сжимаемый газ при этом увлажняется,
что не всегда допустимо.
Предварительное охлаждение воздуха перед всасыванием его в компрессор
целесообразно применять в районах с жарким климатом при наличии холодной
(например, артезианской) воды и при сжатии горячих газов.
Кроме водяных бывают воздушные системы охлаждения компрессоров.
При этом способе охлаждения следует учитывать колебания температуры ат­
мосферного воздуха, а также иметь в виду уровень шума работающего вен­
тилятора, подающего воздух для охлаждения. П рименение комбинированных
воздуш но-водяных систем охлаждения позволяет значительно сократить расход
воды, повысить эконом ичность и безопасность производства сжатого газа.
Сжатие и расширение газов
О
113
3.1.13. Р
е
г
у
л
и
р
о
в
а
н
и
ео
б
ъ
е
м
н
о
йп
р
о
и
з
в
о
д
и
т
е
л
ь
н
о
с
т
и
к
о
м
п
р
е
с
с
о
р
о
в
В тех случаях, когда происходит непрерывное потребление сжимаемого
в компрессорах газа и необходимо поддерживать в сети постоянным его давле­
ние, производят регулирование на постоянное давление.
Возможно требование постоянного количества газа при переменном дав­
лении, тогда производят регулирование работы компрессора на постоянную
объемную производительность.
Постоянство давления может быть обеспечено, если масса нагнетаемого
компрессором газа соответствует его массовому расходу у потребителя. Таким
образом, при эксплуатации механических компрессоров ре гул ировани- давле­
ния часто сводится к регулированию объемной прошводительности.
Один из простых и экономичных способов — периодические остановки
компрессора. Применение этого способа возможно только тогда, когда про­
изводительность компрессора значительно выше расхода гаи . В этом случае
при работе компрессора происходит повышение давления газа и накапливание
его в системе. При достижении давления, близкого к максимально допусти­
мому значению, компрессор останавливается. Когда давление снизится до
минимального допустимого, компрессор автоматически включается. Недостат­
ки этого способа: интенсивный и і н о с некоторых деталей компрессора из-за
частых остановок и пусков: резкое возрастание потребляемой электроэнергии
в пусковые моменты, что ограничивает применение этою способа мощностью
на валу компрессора до 200 кВт. В случае одновременной работы группы ком­
прессоров отключают часть И) них.
Более совершенным является способ регулировании объемной производи­
тельности компрессора путем изменения частоты вращения привода. При этом
обеспечивается плавное изменение объемной прошводительности компрессо­
ра, КПД практически не снижается. Однако этот способ можно использовать
в установках с приводом от двигателя внутреннего сгорания, паровых и газовых
турбин, от электродвигателя постоянного тока. При использовании наиболее
распространенного привода от асинхронного трехфазного электродвигателя
переменного тока регулирование объемной производительности изменением
частоты вращения привода требует применения специальных типов двигателей.
Лопастные компрессоры, регулируемые изменением числа оборотов должны
снабжаться предохранительными клапанами во избежание попадания в помпажный режим (см. рис.3-12).
Наиболее простым способом регулирования объемной производительности
является дросселирование при всасывании. При этом происходит понижение
давления газа при всасывании (обычно ниже атмосферного) и соответствующее
снижение подачи. При плавном дросселировании задвижкой производитель­
ность компрессора изменится плавно. Следует иметь в виду, что при этом спо­
114
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава»
собе возможен подсос в компрессор смазочных масел и атмосферного воздуха,
что не всегда допустимо, в частности из-за образования взрывоопасных смесей.
При постоянном отнош ении давлений в компрессоре (в лопастных компрес­
сорах) этот способ приведет к пониж ению давления нагнетания, мощность на
валу машины уменьш ится, но удельный расход энергии несколько возрастет.
При дросселировании газа на нагнетательном трубопроводе (прикрытии
задвижки) после лопастных машин уменьшается их производительность при
постоянном давлении нагнетания, но увеличивается удельный расход энергии.
Возможен перепуск сжатого газа из нагнетательного трубопровода во вса­
сывающ ий, но это наименее экономичны й способ, поскольку при этом теря­
ется энергия, затраченная на сжатие возвращаемого количества газа. В случае
многоступенчатых компрессоров относительная потеря энергии может быть
значительно пониж ена (пропорционально числу сіупеней), если перепускать
газ не после последней, а лиш ь после первой ступени. При этом, однако, межступенчатые давления понизятся и отнош ение давлений в последней ступени
повысится, ограничивая тем самым диапазон регулирования соответственно
предельно допустимой температуры сжатого газа.
Высокой экономичностью отличается способ регулирования производи­
тельности компрессоров, имеющих клапаны, путем автоматического воздей1
ствия на клапаны. Если в период нагнетания газа воспрепятствовать закрытию
всасывающего клапана, то газ из рабочей полости перепускается во всасы­
вающий патрубок. Возможен полный от­
жим клапанов, частичный отжим и от­
жим клапанов на части хода порш ня.
Два последних варианта позволяю т про­
изводить плавное регулирование объем­
ной производительности. Высокая эконо­
мичность этого способа обусловлена тем,
что практически отсутствует расход энер­
гии на сжатие газа, не поступающего в на­
гнетательный трубопровод. Недостатком
способа является возможная деформация
клапанных пластин.
Наиболее экономичны м , простым
и надежным способом регулирования
Рис. 3-14. Индикаторная диаграмма
объемной
производительности порш ­
поршневого компрессора с дополни­
невых
компрессоров
является
при­
тельным вредным пространством.
соединение к цилиндру компрессора
дополнительных вредных пространств.
На рис. 3-14 показано изменение индикаторной диаграммы (изображена
сплош ны ми линиям и) после присоединения к нормальному объему вредного
пространства Vu увеличенного объема Vm (вид диаграммы до присоединения
Сжатие н расширение газов
^
115
изображен пунктирными линиями). Вследствие увеличения мертвого
пространства всасывание газа будет происходить не на пути Гю, а на меньшем
пути ' во■ т.е. уменьшится п рои іводительность компрессора без заметного
увеличения удельного расхода анергии и изменения отношення дашіений.
В случае многоступенчатого компрессора сохранится та же картина, если
дополнительное вредное пространство будет прнсоеденено во всех сту пенях.
Регулирование объемной производительности лопаточных компрессоров
возможно изменением угла поворота направляющих лопаток на входе или
выходе с рабочего колеса. Однако конструктивно это более сложные машины.
3.1.14. М
о
щ
н
о
с
т
ьк
о
м
п
р
е
с
с
о
р
н
о
г
оа
г
р
е
г
а
т
а
Внутренняя мощность компрессора .V. Вт. это мощность, затрачиваемая
компрессором на сжатие газа, sa вычетом мощности утечек. Она определяется
как произведение массового расхода газа на выходе из компрессора т. кг/с. на
удельную работу компрессора /, Дж /кг, с учетом термодинамического КПД г/:
.V = — .
П
(3.18)
Массовый расход газа, подаваемого компрессором в сеть, m = p \Y , где р\ —
плотность газа при условиях всасывания; Г — объемный расход газа, на вы­
ходе из компрессора, указываемый в каталогах при условиях всасывания, т.е.
приведенный к условиям всасывания.
При расчете мощности на ea-ty компрессора следует учитывать: затраты
мощности на преодоление механического трения в компрессоре с помощью
механического КПД
мощность, теряемую в результате утечек газа из
компрессора, которые учитывает коэффициент производительности t . Обычно
ТУ = (0.90.. .0.98Ь„ап. В результате
д- - - т- - .
г
п
\
(3.19)
Для поршневых компрессоров
= (0,85.. .0.95); для центробежных г/мсх =
= (0.97... 0.98).
Мощность на вш у приводного двигателя компрессора (мощность двигателя
компрессора) увеличивается из-за потерь мощности в устройствах передачи
движения от приводного двиіателя к компрессору:
Иш =
.
<3.20)
4 m rlntp
где 7дв и 7пеР — КПД привода и передачи соответственно; у — коэффициент
запаса, принимаемый обычно 1,10... 1.15.
Произведение всех коэффициентов полезного действия называют КПД
компрессора.
rp\Tjucxffmtfncp— Г
ІК
М
-
116
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
Тогда
Л Г д в = ^ і^ .
7?км
(3.21)
Удельную работу компрессора рассчитывают по одному из уравнений (3.2),
(3.4), (3.5), (3.6), (3.14), (3.15), в зависимости от того, ближе к какому виду
термодинамического процесса происходит процесс сжатия в компрессоре.
Мощность компрессорного агрегата — это мощность, потребляемая привод­
ным двигателем компрессора, с учетом мощности, затрачиваемой на привод
вспомогательных механизмов и дополнительных устройств от вала компрес­
сора.
3.1.15. К
о
м
п
р
е
с
с
о
р
н
ы
ес
т
а
н
ц
и
и
На
предприятиях для
получения сжатого
воздуха оборудованы
специальные
производственные
участки
— станции,
обычно
раз­
мещ енные в отдельном здании. Эти станции кроме компрессоров
с приводом (компрессорного агрегата) имеют дополнительны е систе­
мы, обеспечивающ ие его работу: системы управления, смазки, ав­
томатики; промежуточные и концевые охладители воздуха; аппара­
ты для очистки и осушки воздуха; регулирующую и предохрани­
тельную арматуру; контрольно-измерительны е приборы: трубопроводы,
воздухосборники.
На рис. 3-15 дана схема оборудования компрессорной станции. (Н а рисунке
не показаны аппараты, работающие в сталии регенерации.) Наружный воз­
дух 1 поступает через обреш еченны й проем во всасывающую камеру, кото­
рая долж на располагаться с теневой стороны здания. В помещ ении всасыва­
ющей камеры устанавливается воздушный фильтр Ф П1. При запыленности
ФП1
КМ1
Рис. 3-15. Компрессорная станция.
Гі
КМ2
Т2
Сжатие и расширение газов
О
117
воздуха до Ю мг/м3 чаше всего используются масляные самоочищающиеся
фильтры.
Очищенный от пыли воздух поступает на сжатие в компрессор. При мно­
гоступенчатом сжатии между ступенями KM I, КМ2 и т.д. устанавливаются
промежуточные охладители воздуха, например, водяные теплообменники TI.
После последней ступени воздух должен охлаждаться в концевом охладителе
Т2 до температуры + ('20...25) °С.
Сжатый воздух поступает во влагоотделитель ВД, где освобождается от
капель воды и масла. По своей конструкции влагоотделители аналогичны
циклонам.
Окончательная очистка воздуха от масла происходит в блоке масляных
фильтров БМ Ф, который состоит и) двух поочередно работающих башен,
заполненных очищающей массой, например коксовым орешком. В го время,
когда воздух очищается в одном фильтре, очищаюшая масса другого фильтра
регенерируется (например, обрабатывается паром), либо заменяется.
Для осушки сжатого воздуха используется адсорбер АС. Обычно установ­
лено два адсорбера, поочередно отключающихся на регенерацию слоя адсор­
бента, в качестве которого чаще всего используется силикагель.
После осушки воздух очищается от пыли адсорбента в фильтре пыли ФП2.
Очищенный и осушенный воздух поступает в воздухосборник (ресивер) PC.
предназначенный для выравнивания давления, смягчения пульсаций, а также
для обслуживания системы автоматического регулирования проитволительности компрессора. Ресиверы обычно размешаются снаружи помещения. Из ре­
сивера сжатый воздух 2 подается потребителю.
На всех стадиях получения сжатого воздуха контролируется его давление
и температура. Предохранительные клапаны устанавливаются между ступенями
компрессора, на промежуточных охладителях и ресивере. Температура воздуха
контролируется перед каждым охладителем и за ним. Температура охлажда­
ющей воды контролируется перед подачей в охладители и на выходе и ! них.
Наличие охлаждающей воды в системе охлаждения обязательно контролирует­
ся по сливу волы в сливные воронки на сбросном коллекторе или системой
автоматики.
Технико-экономическими показатемми работы компрессорных станций яв­
ляются удельная мощность, т.е. расход энергии в единицу времени на выработ­
ку одного кубометра сжато то воздуха, и его себестоимость
При расчете удельной мощности компрессорной станции учитываются
затраты энергии на привод компрессоров и на привод насосов, подающих
охлаждающую воду, на освещение, вентиляцию, отопление и т.п. Ф актиче­
ская удельная мощность сравнивается с нормативной, скорректированной на
Действительные условия работы станции.
При расчете себестоимости сжатого воздуха суммируются затраты на амор­
тизацию здания и оборудования, на заработную плату персонала, администра-
118
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава:!
тивно-хозяйственны е расходы, на текущий ремонт оборудования, на потреб­
ленную энергию. В себестоимости сжатого воздуха (Т О ...85)% приходится на
потребленную энергию.
3.2. ПОЛУЧЕНИЕ ВАКУУМА
3.2.1. О
б
щ
и
ес
в
е
д
е
н
и
я
М ногие процессы в химических технологиях и биотехнологиях проводятся
при давлениях меньших атмосферного. Это диктуется во многих случаях
условиями протекания химических реакций, необходимостью пониж ения тем ­
пературы кипения термолабильных жидкостей, возможностью использования
дешевых низкотемпературных теплоносителей, недопустимостью контакта
обрабатываемых вешеств с кислородом воздуха и т.п . При пониженных
давлениях проводятся: выпаривание, кристаллизация, сушка, разнооб­
разные процессы перегонки. Некоторые химические реакции возможно
осуществлять только при давлениях меньше атмосферного. С помощью
пониж ения давления осуществляют ф ильтрование, перекачивание ж идко­
стей.
Вакуумом называется состояние среды, абсолютное давление которой м ень­
ше атмосферного. (Здесь и далее термины и определения, имеющиеся в ГОСТ
5197-85, даны по этому ГОСТу).
П онижение давления газа по сравнению с атмосферным (барометрическим)
давлением ратм характеризуется значением величины вакуума рюк (или, что то
же самое, величины разрежения рразр) и измеряется приборами, называемыми
вакууметрами.
Аппараты, сосуды и другое оборудование, в котором создается вакуум,
в вакуумной технике называются откачиваемыми объектами.
Д авление газа, оставшегося в откачиваемом объекте, называется остаточ­
ным. рост, или абсолю тным, ра6с:
Рост = Рэтм —Роак-
(3.22)
Иногда пользуются понятием относительного вакуума, измеряемого в про­
центах:
^ _ Рвак ш0
(3 23)
Ратм
На рис. 3-16 на шкале давления показаны для точки 1 понятия вакуума
и остаточного давления, если в точке 2 давление атмосферное.
О сновным критерием для характеристики вакуумного состояния газа
(степени вакуума) в откачиваемом объекте является критерии Кііуікена,
К п , который равен отнош ению средней длины свободного пути молекул
Сжатие и расширение газов
Ро
сг
О
О
119
Р
в
а
к
/_________ 2
р
Р.ПІ
Рис. 3-16. Понятие вакуума и остаточного давления на шкале давления
газа Л к линейному размеру д откачиваемого объекта, характерному для
рассматриваемого процесса:
Различается низкий вакуум, когда К п < 1, т.е. Л намного меньше
<1. остаточное давление при этом составляет от 105 до 100 Па: сред­
ний вакуум, когда К п — 1, т.е. Л ~ d, остаточное давление от 100
до 0,1 Па: высокий вакуум, К п > 1, Л > i
остаточное давление от
0,1 до 10~ ' Па: сверхвысокий вакуум при остаточном давлении менее
10~г' Па.
При низком вакууме режим течения газа вязкостный, при высоком и сверх­
высоком — молекулярный, при среднем — молекулярно-вязкостный.
Устройство, предназначенное для создания, повышения и поддержания
вакуума называется вакуумным насосом (ВН). Соответственно создаваемому
вакууму различают низковакуумные и высоковакуумные насосы.
Пониженное давление в аппаратах может быть создано также за счет ваку­
умной конденсации паров.
3.2.2. В
а
к
у
у
м
н
а
як
о
н
д
е
н
с
а
ц
и
яп
а
р
о
в
Метод вакуумной конденсации широко применяется для откачки паров
в процессах выпаривания, сушки, фильтрования, перегонки и т.д. При кон­
денсации паров на охлаждаемой поверхности или в объеме, вакуумный конден­
сатор, по существу, является аппаратом для изотермного сжатия пара. Причем
такой аппарат может иметь гораздо большую производительность, чем любой
из существующих вакуумных насосов, основанных на других принципах. Объем
конденсата в сотни и даже в тысячи раз меньше объема пара, поэтому при
конденсации пара давление в системе понижается. Степень создаваемого раз­
режения определяется температурой холодильного агента, применяемого для
конденсации пара, так как остаточное давление пара (при условии его полной
конденсации) соответствует давлению насыщения паров данного вещества при
температуре в конденсаторе.
На рис. 3-17 приведена схема диаграммы состояния воды в координатах
t - p в области, прилегающей к тройной точке 0 (ро = 610,8Па; to = 0,01 °С),
СМ. также рис. 1-1. На диаграмме нанесены кривые равновесия между жид­
костью и ее паром (О А), между жидкостью и льдом (ОА) и между льдом
120
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕП ЛО ТЕХ НИ КА
❖
Глава 8
и паром льда ( ОВ). Непосредственно из
диаграммы видно, что если понижать
температуру пара при постоянном дав­
л ении, значение которого меньш е дав­
ления в тройной точке, то при дости­
ж ении кривой равновесия ОВ начнется
процесс перехода пара в твердое состо­
яние — процесс десублимации, с после­
дую щим охлаждением льда (процесс ]—
2—3). Если же вести процесс охлажде­
ния пара (процесс 4—5) при давлении,
превышаю щем давление в тройной точке’ т0 по Достижении кривой равновесия 0 К паР бУдет сначала превращ ать­
ся в ж идкость, и только тогда, когда
жидкость охладится до температуры затвердевания (процесс 5 —6), начнется
процесс затвердевания, а вслед за ним охлаждение льда (процесс 6—7).
Рис. 3-17. Схема диаграммы состояния
воды в координатах t - р.
Жидкостные конденсаторы. Различаю тся два основны х типа жидкостных
конденсаторов — поверхностные и конденсаторы смеш ения. В поверхностных
конденсаторах пар превращ ается в жидкость, соприкасаясь с охлаждаемой по­
верхностью (чаще всего с поверхностью труб), через которую теплота конденса­
ции передается охлаждающему агенту. В конденсаторах см еш ения происходит
непосредственный контакт пара с охлаждающим агентом, подаваемым в виде
струи или пленки. Так конденсируются в основном водяные пары путем сме­
ш ения их с водой. В водяных струйных конденсаторах смеш ения водяная струя,
непосредственно соприкасаясь с паром, не только конденсирует последний, но
и одноврем енно удаляет из конденсатора воздух и другие неконденсирую щ иеся
газы, попадающие с паром, с охлаждающей водой и через неплотности в со­
единениях.
Поверхностные конденсаторы. К ним относятся конденсаторы с ж идкост­
ным охлаждением (в частности с водяным охлаждением), которые могут быть
погружными или оросительны ми, и конденсаторы с воздуш ным охлаждением.
Для получения высокого коэф ф ициента теплопередачи от конденсируемого
пара к охлаждающему агенту (хладоносителю) необходима интенсивная цирку­
ляция хладоносителя, быстрое удаление жидкого конденсата и возможно более
полное удаление неконденсирую ш ихся газов.
Преимущества поверхностного конденсатора заключаются в том, что по­
лучаю щ ийся конденсат не загрязнен хладоносителем и может быть повторно
использован в производстве, производительность конденсатора можно менять,
регулируя расход хладоносителя. Охлаждение поверхностного конденсатора
можно производить лю бым хладоносителем, и, следовательно, производить
конденсацию пара при любой температуре. В качестве поверхностных конден­
Сжатие н расширение газов
❖
121
саторов обычно используют кожухотрубчатые теплообменники, соединенные
с емкостями для отводимого конденсата.
Конденсаторы смешения являются более простыми и дешевыми аппаратами;
они разделяются на мокрые и сухие. В качестве хладоагента в этих конденса­
торах обычно используется вода для конденсации ларов воды или малоценных
жидкостей. Тогда из аппарата выводится смесь образовавшегося конденсата
с водой. Конденсаторы смешении широко распространены в биотехнологиях,
так как имеют высокую производительность, просты по конструкции и легко
могут быть защищены от коррозии. Мокрые конденсаторы отличаются тем,
что из них охлаждающая вода вместе с конденсатом и неконденсируюшимися
газами откачивается мокровоздушным насосом. В сухих конденсаторах вода
вместе с конденсатом стекает по трубе самотеком, а не конденсирующиеся
газы откачиваются из верхней части аппарата обычным вакуумным насосом.
С целью достижения полной конденсации пара необ­
ходимо осуществлять тщательное перемешивание пара
и воды, что достигается разбрызгиванием охлаждающей
воды.
На рис. 3-18 приведена схема мокрого прямоточного
конденсатора с переливными полками. Вода I подается
в разбрызгиватель 3 в верхней части аппарата и перете­
кает с полки на полку 4. орошая и конденсируя пар 2.
который движется в том же направлении. Конденсат 5
с несконденсировавшимися газами отводится из нижней
части аппарата.
В сухом конденсаторе вода разбрызгивается при по­
мощи системы сопел. В верхней части аппарата происхо­
дит смешение воды и пара, откачка газов производится
через шгуиер, расположенный в средней части аппарата,
Рис. 3-18. Мокрый пря­
а конденсат и вода удаляются в нижней части центро­
моточный конденсатор.
бежным водяным насосом.
К конденсаторам смешения относятся так же баро­
метрические конденсаторы, они бывают различных типов. Схема одного из
них показана на рис. 3-19. В верхнюю часть корпуса конденсатора подается
вода /, которая стекает по внутренним перегородкам 2, конденсируя пар 3,
подаваемый в нижнюю часть корпуса конденсатора. К нижней части корпуса
присоединяется барометрическая труба 4 для стока воды с конденсатом в ба­
рометрический ящик 5. Воздух и другие неконденсирующиеся газы (поток 7)
откачиваются через ловушку 6 из верхней части корпуса.
Высота барометрической трубы подбирается таким образом, чтобы сумма
давления внутри конденсатора и давления столба жидкости в трубе была равна
атмосферному давлению. Таким образом барометрическая труба является гид­
равлическим затвором парового пространства корпуса конденсатора (где данле-
122
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМ ИКА И ТЕП ЛО ТЕХ НИ КА
О
Глава 3
ние ниже атмосферного) от атмосферного давления в барометрическом яш ике,
куда стекает конденсат с водой. М инимальное давление внутри конденсатора
может равняться давлению р$ насыщ ения пара при температуре охлаждающей
воды; тогда
Ps + PegZ = Рага,
(3.24)
где р„ — плотность воды; g — ускорение силы тяжести; Z — высота трубы;
Ратм — атмосферное давление. Если исполь­
зовать воду с наименьш ей возможной тем­
пературой равной + 4 °С , то ps = 813 Па, ра =
= 1000 кг/м 3, тогда при ратм = 105 Па, Z =
= 10,11м. С учетом гидравлического сопро­
тивления при стекании по трубе воды, ее
высота может быть несколько меньше, од­
нако, для возможности работы при любых
условиях высоту трубы делаю т не менее Юм.
Благодаря наличию барометрической трубы
вода из конденсатора удаляется самотеком,
и не нужно тратить энергию на откачку воды
насосом, как это делается в сухих конден­
саторах низкого уровня. Недостатком таких
конденсаторов является их большая общая
высота, составляю щая от 14 до 19 м.
Преимуществами струйного барометри­
ческого конденсатора (рис. 3-20) являются
интенсивная теплопередача и поэтому боль­
шая производительность на единицу по­
верхности, относительно простая конструк­
ция при низкой стоимости и, наконец, то,
Рис. 3-19. Барометрический конден­ что корродирующ ие пары могут конденси­
сатор.
роваться, не разрушая стенок конденсатора,
т.е. не требуется применение специальных
химически стойких материалов. Подаваемая под давлением вода / заполняет
пространство 2. С пециальны м устройством 3 формирую тся многочисленные
струи 4, на поверхности которых конденсируется поступающий пар 5. Смесь
воды и конденсата пара по барометрической трубе 6 стекает в барометрический
ящ ик 7, из которого удаляется при атмосферном давлении.
К недостаткам струйного конденсатора, как и других конденсаторов сме­
ш ения, относятся: большой объем охлаждающей воды, необходимость доведе­
ния давления охлаждающей воды, конденсата и неконденсирую щ ихся газов
от вакуума до атмосферного давления. К тому же в паровое пространство
конденсатора постоянно выделяются газы, растворенные в охлаждающей воде,
которые увеличивают нагрузку на вакуум-насос.
Сжатие и расширение газов
❖
123
Тепловой баланс барометрического конденсатора есть тепловой баланс сме­
шения двух потоков, см. формулу (2.38):
т пһп + т вһв = ( т п + т в)һконл.
(3.25)
где шп, т в — расходы пара и воды; hn, /ів, hKOlu — удельные энтальпии посту­
пающих пара и воды и удаляемой смеси конденсата с водой.
Как следует из уравнения (3.25), удельный расход воды, кг/кг, подаваемой
на конденсатор;
ШВ_ ҺП
— ҺК
О
Ід
~ ~ — 7 ------------ Г "
т п
” КОНЛ — " в
™в_ (Г
п
Г
|і+ г
)- fuQHjr,
m„
^К
О
Н
Д
^В—
т
В_ Un~ *К
О
Н
д
)С
В
+Г
rrhi <*bUko»u ^в
)
^^ ^
(J .2 0 )
^
где
/КШІЛ — температуры поступающих пара и воды и отводимой смеси
конденсата пара с водой, °С; с„ — теплоемкость воды. Д ж /(кг К): г — теплота
конденсации пара (Дж /кг) при /„■
Если рассчитать конденсатор таким образом,
чтобы температура отводимой смеси воды с конден­
сатом пара на выходе была близка к температуре по­
ступающего пара, а температура отходящего воздуха
была близка к температуре входящей воды, то можно j
добиться наименьших энергетических затрат на от­
качку воздуха и наименьшего расхода охлаждающей
воды. Практически разность между температурой по­
ступающего пара и температурой отводимой смеси
составляет не менее 3 К. Чем меньше эта разность,
тем меньше расход воды, как следует из формулы
(3.27). Расход воды так же уменьшается с понижением
температуры подаваемой воды tB, если при этом не
меняется (к„к,. С целью достижения более глубокого
вакуума создаваемого барометрическим конденсато­
ром. необходимо понизить tKOHa. а следовательно уве­
личить расход воды.
Эксергетический баланс конденсатора — это ба- Рис. 3-20. Струйный бароланс при смешении потоков (см. раздел 2.3.2).
метрический конденсатор
Кроме затрат на охлаждающую воду при работе
барометрического конденсатора имеются затраты на вакуум-насос, сжимаю­
щий неконденсируюшиеся газы. Чем больше газов натекает через неплотности,
а также выделяется из пара и из воды, тем больше затраты на вакуум-насос.
124
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
Принято считать [29], что каждые 1000 кг охлаждающей воды и конденсата
выделяют 0,25 кг воздуха и на 1000 кг конденсата подсасывается через неплот­
ности 10 кг воздуха. Тогда расход воздуха составляет, кг/с:
m » = [0,025(шв + т п) + 10шп] • 10- 3 .
(3.28)
Объем воздуха, который необходимо отсасывать, м 3/с:
Va = —
(3.29)
Рп - P s
где Я ю = 287Д ж /(кг К) — газовая постоянная воздуха; Гю — температура
воздуха, К, откачиваемого из барометрического конденсатора; р„ — давление
в барометрическом конденсаторе, Па; ps — давление насыщ енного водяного
пара, Па, при температуре воздуха Тю . По приближ енной эмпирической ф ор­
муле:
Тщ — 273 + [i + 0,1(<конд —t B) + 4].
(3.30)
Чем меньш е натекание газов в вакуумную систему, и чем ниже вакуум, тем
меньш е затраты на вакуум-насос.
Пример 3.2. Д ля создания вакуума рвак = 80 к Па в установке, выделяющей 1 к г / с
водяного пара, используется барометрический конденсатор. Температура подава­
емой воды 20 °С. Рассчитать эксергетический К ПД барометрического конденса­
тора. Сравнить затраты эксергии в барометрическом конденсаторе с затратами
эксергии на адиабатное сжатие пара до атмосферного давления.
Решение. О статочное давление в конденсаторе рассчитывается по уравне­
нию (3.22)
Рост = 100 - 80 = 20 кП а = 2 • 104 Па.
При этом давлении температура насыщ ения водяного пара t„ = t s = 60,1 °С,
энтальпия водяного пара Лп=2609,6 кД ж /кг; энтропия пара s n=7,91 к Д ж /(к гК ),
энтальпия конденсата пара һкп = 251,46 кД ж /кг, энтропия конденсата пара
вкл = 0,83 кД ж Д кг К), теплота конденсации г = -2358,1 кД ж /кг, удельный объ­
ем конденсата гүп = 0,001 м3/к г (см. прилож ения 2 и 3). Примем температуру
отводимой смеси конденсата с водой (конд = tn- 3 = 60,1 - 3 = 57,1 °С. При этой
температуре и атмосферном давлении рКОнд = ЮОкПа, Һкона = 239,0кД ж /кг,
«кош = 0.79кД ж /(кг К). При давлении в барометрическом конденсаторе рост =
= 2 0 кП а и температуре воды fB = 20 °С: һв — 83,9 кД ж /кг, s B = 0,30 кДж/(кг•К) (см. прил. 3). Удельный расход воды в конденсаторе рассчитывается по
формуле (3.26)
тв
2609,6-239,0
,
^ = ІдГвд =15'3к
г
/к
г
т„ = 1 кг/с,
т в = т„ ■15,3 = 15,3 кг/с.
С л ащ е и расширенна газов
^
125
Массовый расход отводимой смеси конденсата с водой:
mB+ mn = 15.3 + 1 = 16,3 кг/с.
Эксергия поступающей воды равна нулю
= О, так как t„ = tK . При пара­
метрах окружающей среды рж = рати = ЮОкПа и
= 20 "С для воды ^ =
= 84кДж/кг и sex = 0,30 кДжДкг К) (см. прил. 3).
Удельные эксергии потоков пара и смеси конденсата с водой рассчитыва­
ются по формуле ( 2. 12)
е„ = (2609.6 - 84,0) - 293(7,91 - 0.30) = 296.0 кДж/кг.
Ғкши = (239.0 - 84,0) - 293(0,79 - 0,30) = 11.4 кДж/кг.
В конденсатор поступает 1 кг/с пара, поэтому эксергия потока пара £„ = <„ =
= 290,0 к Вт.
Эксергия потока отходящей смеси конденсата с водой:
Екам — е*онл(тв + ni„) = 11,4 ■16,3 = 185,8 кВт.
Эксергический КПД процесса в барометрическом конденсаторе, если целью
считать отводимую смесь конденсата с водой:
'/с
Ёп +- Е„
rte = - l Ë 5 ± _ = 0.63
/е 296,0 + 0
Другим способом создания вакуума в установке, выделяющей пары, является
адиабатное сжатие этих паров до атмосферного давления с целью их вывода
в атмосферу. При идеальном адиабатном сжатии, когда .«„=7.91 кДж/(кг К) =
= const, в конце сжатия при р = ЮОкПа, h = 2914.7, t = 220°С (см. прил. 3).
Работа сжатия рассчитывается по формуле (3.4)
l = h ~ h „ = 2914,7 - 2609,6 = 305,1 кДж/кг.
Эксергия пара после сжатия:
е'„ = (2914,7 - 84,0) - 293(7,91 - 0,30) = 601.0 кДж/кг.
Изменение эксергии пара в процессе сжатия:
= е'п - е„,
Леп = 601,0 - 296,0 = 305,0 кДж/кг.
Эксергический КПД для рассматриваемого процесса
Ле„
305,0
— =0.51
" ~ / + Лг„
305,0 + 296,0
Таким образом, эксергический КПД конденсатора смешения больше, чем даже
при идеальном адиабатном сжатии пара компрессором. Однако, после сжатия
пара компрессором эксергию сжатого пара можно использовать, так как его
f = 220СС. Смесь же конденсата пара с водой после барометрического конден­
сатора имеет tKnm = 57.1 °С. Такая смесь обычно не используется, а сливается
126
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА II ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава.4
в канализацию . С другой стороны , конструкция барометрического конденса­
тора проста и не требует специального обслуживания. Для увеличения КПД
конденсатора целесообразно подавать воду на конденсатор из окружающей
среды, когда Ев = 0, и поддерживать ?кош как можно больш ей, для возможности
использования эксергии отводимой смеси воды с конденсатом.
Сублимационные конденсаторы. Д л я конденсации паров при давлении
и температуре меньш их, чем в тройной точке вешества, необходимы
специальны е конденсаторы, в которых вещество из парообразного состояния
переходит в твердое — сублимационны е конденсаторы. Такие конденсаторы
применяю тся в сублимационны х суш ильных установках для консервирования
кровяной плазмы, суш ки антибиотиков, эндокринного, ф ерментного сырья
и др. К онструкции их различны для различной глубины вакуума.
При низком вакууме нормально работают змеевиковые и кожухотрубчатые
аппараты. Во время работы вся поверхность труб покрывается льдом, который
периодически подвергают оттаиванию. Обычно устанавливаю т два сублимаци­
онны х конденсатора, один из которых работает, а другой подвергается оттаи­
ванию.
При среднем вакууме и в случае конденсирования больших количеств водя­
ного пара экономически целесообразнее прим енение скребковых конденсато­
ров, в которых непрерывное удаление льда дает эфф ективную конденсацию на
всех стадиях рабочего цикла. В этом случае оправдан дополнительны й расход
энергии на удаление льда и наличие специальны х приспособлений для этого.
В условиях высокого вакуума, когда длина свободного пробега молекул
пара становится значительно больше характерного размера аппарата, скребко­
вые конденсаторы становятся нерентабельными, так как съем образовавшегося
льда с единицы поверхности крайне мал. Для такого вакуума целесообразно
применение открытых конденсаторов, которые помещ аю тся внутри вакуумной
системы, где находится испаряемое вещество.
3.2.3. Х
а
р
а
к
т
е
р
н
ы
еп
а
р
а
м
е
т
р
ыв
а
к
у
у
м
н
ы
хс
и
с
т
е
м
Рассмотрим систему (р и с .3-21), состоящ ую из вакуум-насоса ВН. трубо­
провода ТБ. откачиваемого объекта ОБ и вакуумметров, позволяю щих опре­
делить давления в объекте р0б, в трубопроводе рт6, на входе в насос рвн и на
выходе из него, т.е. выпускное давление рвып. Из уравнения (1.3) состояния
идеального газа, умноженного на массовый расход газа т , кг/с, следует, что
рГ = m RT = п К Т ,
где Г — объемный расход газа, проходящ ий через любое сечение системы, м3/с;
р — давление газа в этом сечении, Па; R — газовая постоянная, Д ж Д кг К); п —
число молекул, проходящ их через сечение в единицу времени; К — постоянная
Больцмана; Т — абсолю тная температура, К.
Сжатие и расширение rajou
В вакуумной технике принято исполмовать ве­
личину, называемую поток газа, и выражать его
как произведение давления на объемный расход,
измеренный при этом давлении, и обозначать бу­
квой Q (в данном разделе 3.2 буквой Q обозначен
поток газа, а не поток теплоты):
Q = рГ.
П а м 3/с = Вт.
(3.31)
В рассматриваемой системе (рис. 3-21) давление
изменяется: рвн ф
Ф ро6, соответственно из­
меняются и объемные расходы: VBH ф \ \ ь ф Гоб,
однако поток газа остается постоянным:
Q
Р в вн —Ртб^ тб = Роб^ об ~~ п к Т .
❖
127
■О1
■О'
-о,
(3.32)
Уравнение (3.32), как и в гидродинамике, называ­
ется в вакуумной технике уравнением сплошности.
Оно показывает, что поток газа пропорционален
количеству молекул, проходящих через любое сечение в единицу времени.
■о.
Рис- 3-21 • Распределение
язвпент в системе объект вакуумный насос
В литературе по вакуумной технике часто поль­
зуются терминами «быстрота действия», «быстрота откачки» вместо объемного
расхода, обозначая их буквой «S» и измеряя в литрах в секунду, л/с (в данном
разделе 3.2 буквой 5 обозначена быстрота откачки, а не энтропия).
Быстрота откачки характеризуется объемом газа, откачиваемым в единицу
времени в определенном сечении при данном давлении, измеренном в том же
сечении.
Быстрота действия вакуумного насоса. S„„ — это величина, характеризу­
ющаяся быстротой откачки, получаемой во входном сечении насоса (сечение
a-а на рис. 3-21) при его работе, т.е. SB„ = Q /pBH.
Быстрота (скорость) откачки объекта, 50е — это объемный расход газа,
удаляемый из объекта при давлении р0е (сечение Ь-Ь на р и с.3-21), т.е. S =
= Q/РобКоэффициент использования насоса
•Э
в
н
Л„ = I й .
(3.33)
Наибольшее давление запуска вакуумною насоса — это наибольшее давление во
входном сечении вакуумного насоса, при котором насос может начать работать.
Наибольшее выпускное дамение вакуумного насоса — это наибольшее дав­
ление в выходном сечении вакуумного насоса, при котором насос еще осуще­
ствляет откачку.
Все насосы делятся на три группы по выпускному давлению: насосы, вы­
брасывающие откачиваемый газ в атмосферу: рвыл - Ра™; насосы, требующие
предварительного разряжения: раь,„ < ратм'. насосы, в которых откачиваемый газ
не выводится наружу, а связывается внутри самого насоса.
128
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
М аксимш ьно допустимым выпускным давлением называется такое, которое
превышает нормальное не более чем на 10%.
Выпускное давление срыва соответствует повыш ению выпускного давления
на порядок по сравнению с нормальным.
Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса — это наибольшее давление
во входном сечении насоса, при котором насос длительное время сохраняет
номинальную быстроту действия.
Наименьшее рабочее давление насоса — это наименьш ее давление во вход­
ном сечении насоса, при котором насос длительное время сохраняет ном и­
нальную быстроту действия.
Естественно, что вакуум-насос следует использовать при давлениях боль­
ших наименьш его, но меньш их наибольш его рабочего давления.
Предельное остаточное давление вакуумного насоса — это давление, к кото­
рому асимптотически стремится давление в стандартизованном испытательном
объеме без выпуска газа и при нормально работающем насосе, т.е. при дости­
жении этого давления SBH = 0.
Кроме откачивания газов, заполняю щ их откачиваемые объекты, приходит­
ся удалять газы, попадаю щие в вакуумную систему за счет натекания как
через неплотности, так и за счет газовыделения, т.е. самопроизвольного вы­
деления газа из материалов вакуумной системы и тел, находящихся внутри
нее. Газовыделение зависит от природы тел и их предварительного насыщ ения
газами; оно пропорционально площади поверхности тел, резко увеличивается
с увеличением температуры и постепенно замедляется с течением времени.
Проводимость вакуумной системы, U, характеризуется расходом газа между
вакуумным насосом и откачиваемым объектом при разности давлений между
ними равной единице (в данном разделе 3.2 буквой U обозначена проводимость
вакуумной системы, а не внутренняя энергия).
U = ---- - -----.
Роб Рвн
(3.34)
Тогда:
Sdh —
— и(РоРви~ Рвн)
6
SnR= Роб
- = ^(РобРоб- Рвн)
Из этих уравнений обратные величины:
1
S dh
Рвн
U ' (Роб Рвн)
1 _ ____ Роб_____
•^об
U ' (Роб —Рвн)
Вычтем из второго выражения первое и после преобразования получим:
<3-35>
Сжатие и расширение газов
❖
129
Эго выражение является основным уравнением вакуу.чнои техники. Из уравнения
(3.35) получается:
506 =
(3.36,
Анализ уравнения (3.36) показывает, что если быстрота действия насоса со­
ответствует проводимости вакуумной системы, т.е. 5„„ = V , то быстрота от­
качки объекта S(>6 = 0.5SB„; если проводимость вакуумной системы велика, т.е.
[' - ю с . то Soe -» S™; если проводимость вакуумной системы низкая, т. е. Г -» О,
то скорость откачки объекта S,^ - t 0.
Коэффициент использования вакуумного насоса зависит от проводимости
вакуумной системы, согласно уравнениям (3.33) и (3.36)
V
- s^TTr
5о
б
Проводимость вакуумной системы зависит от геометрических размеров трубо­
провода и от режима течения газа. При вязкостном течении определяющим
фактором является внутреннее трение газа; при переходе к молекулярному
потоку роль внутреннего трения постепенно снижается, а определяющим ста­
новится число соударений молекул газа со стенками трубопровода. В любом
случае надо стремиться к увеличению Г с целью увеличения р,„.
3.2.4. П
р
о
д
о
л
ж
и
т
е
л
ь
н
о
с
т
ьо
т
к
а
ч
к
ив
а
к
у
у
м
н
о
йс
и
с
т
е
м
ы
Во время откачки газов из объекта в нем непрерывно изменяется давле­
ние Рцб. Необходимо учитывать остаточное давление рост, до которого необхо­
димо производить откачку газа из объекта. Значение величины р,кп зависит от
типа применяемого ВН и от натекания 0 « ^ в° всей системе при этом давлении.
Рассмотрим случай, когда откачка из объекта происходит при постоянной
быстроте действия насоса 50Н - const, бесконечно большой проводимости тру­
бопроводов V -» зс и пренебрежимо малом давлении р,* = рост -> 0- При таких
допущениях Soe =
(см. формулу 3.36). и полученные результаты одинаково
применимы как для вязкостного, так и для молекулярного режима.
Обозначим, обший объем газа, который необходимо удалить из обьекга,
Ч , время откачки т.
В данном случае поток газа Q может быть выражен следующим образом:
Q —Роб^об —Роб^вн
или также, согласно уравнению (3.31):
„
VТогда
S'<675
гі(Робһ ) _
Тт
' ' Фоб
dT •
„
Чdpob
Р
о
6“
Н
- dT '
130
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕП ЛО ТЕХ НИ КА
^
❖
Глава 3
^v dpofÿ
$вн
Роб
После интеф ирования
г = ^ 1 п А
(3.37)
■Эвн
Роб
где р — давление в объекте при т = 0 (в больш инстве случаев под р понимают
атмосферное давление).
Время, необходимое для того, чтобы давление уменьш илось вдвое:
П>,5 = { г - 1и2 = 0 .6 9 ^ - .
*-ЭвН
*^ВН
Время, необходимое для уменьш ения давления в 10 раз:
год = ^ г - In 10 = 2 , 3 - ^ .
■Ьвн
*^ВН
Если откачка из объекта происходит до остаточного давления отличного от
нуля, рост ф 0, при этом остальные допущ ения остаются теми же: 5 ВН = const,
U -» оо, т.е. 5об = 5 ВН, то при достиж ении давления Рост в системе существует
поток газа:
Q oct = Рост^вн-
(3.38)
Таким образом, во время откачки следует принимать во внимание только поток
Q ~ Роб^вн —QoctС другой стороны
Vi
dr
Тогда
_
q
(
5ettr 6
Уу Фоб
dr
QoCt\ __ Vv
idr
Но, согласно уравнению (3.38):
Qoct _— Pocti
^в
н
тогда
*^вн(Роб
Уу Фоб
Рост) — —
dr
' Рост
После интегрирования
Уу 1 Р
т
—Т
Г
~’
InРоб
'
^вн
Рост
Рост
где р — давление в объекте при т = 0, т. е. в начале откачки.
Сжатие и расширение газов
❖
131
Пример 3.3. В системе аппаратов общей емкостью 50м необходимо уменьшить
давление в 10 раз не более чем за 20 минут. Рассчитать необходимую быстроту
действия вакуумного насоса.
Решение. Из формулы (3 37) быстрота действия ВН должна быть
Sm = — • In — .
т
Роб
где 1г — 5 0 м 1 — емкость вакуумируемой системы, г - 20 мин. — продолжительность откачки, р /р о6 = 10.
■5Вн = ^ 1п 10 = 5.8 м3/мин.
3.2.5. Г
а
з
о
п
е
р
е
к
а
ч
и
в
а
ю
щ
и
ем
е
х
а
н
и
ч
е
с
к
и
ев
а
к
у
у
м
н
ы
ен
а
с
о
с
ы
Газоперекачивающими механическими вакуумными насоса.ии называются та­
кие ВН, в которых перемещение газа от входа к выходу осуществляется вслед­
ствие механического движения рабочих частей насоса.
В механических ВН объемного действия пространство, заполненное газом,
периодически отсекается от входа и перемешается квыходу. Объемные механи­
ческие ВН по принципу действия аналогичны соответствующим конструкциям
компрессоров: поршневых, плунжерных, пластинчатых, двухроторных, водо­
кольцевых. В них также происходит сжатие газа, но при давлениях меньших
атмосферного. Это следует учитывать при расчете потребляемой ими мощно­
сти.
Для поддержания в аппаратах заданного вакуума необходимо откачивать
газы, выделяющиеся по ходу технологического процесса, и компенсировать
натекание. Для непрерывнодействуюших аппаратов поток таких газов не из­
меняется во времени. М ощность на валу вакуум-насоса также постоянна во
времени и определяется по формулам, приведенным ранее для компрессоров,
причем %ек = 0,85...0.95. Поскольку теплопроводность разреженного газа
очень мала и теплообмен со стенками корпуса практически отсутствует, сжатие
газа в сухих вакуум-насосах происходит адиабатно.
В период создания в аппаратах вакуума, т.е при понижении давления от
атмосферного до заданного, степень сжатия газа непрерывно увеличивается,
следовательно, мощность на валу ВН изменяется. Закономерность этого изме­
нения можно установить по уравнению (3.5) для работы адиабатного сжатия
газа от текущего давления на входе в ВН, р, = Рв», ДО давления выпуска,
te = Рвып- В данном случае рассчитывается удельная работа
для одного
кубометра газа, поступающего в вакуумный насос (здесь и до конца раздела
3.2 работа вакуумного насоса обозначена буквой I):
(3.39)
132
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛО ТЕХ НИ КА
❖
Глава 3
При рвн = 0 и рвн = Рвып получается 1Ш = 0, поэтому существует, очевид­
но, некоторое промежуточное давление рвн, соответствующее максимальной
удельной работе, которое можно определить, продиф ф еренциировав уравнение
(3.39) и приравняв производную нулю. В результате:
^
=
(3.40)
Рвн
Так для воздуха при к = 1,40 максимальная удельная работа соответствует
степени сжатия рВып/Рт = 3,3 или р„„ = 30,3кП а (если рвып = ЮОкПа). При
степенях сжатия меньш е или больше 3,3 удельная работа падает, достигая нуля
при Рвып/Рвн = 1 И при Рвн = 0.
М ощность двигателя сухого вакуумного насоса подбирается аналогично
мощности компрессоров, с учетом максимальной работы сжатия, рассчиты ­
ваемой при соотнош ении давлений вычисленном по уравнению (3.40).
При откачивании вакуумными насосами газов вместе с конденсатом паров
насосы называются «мокрыми». В мокрых ВН процесс сжатия газа практически
является изотермным вследствие интенсивного теплообмена газа со всасыва­
емой жидкостью, обладающей, по сравнению с газом, значительной теплоем ­
костью. Удельная работа вакуумного насоса для сжатия одного кубометра газа,
поступающего в вакуум-насос, в этом случае рассчитывается по уравнению,
аналогичному уравнению (3.6) для изотермного сжатия газов в компрессорах:
It = Рвн la ~ ь,п- ~ — ,
(3.41)
Рвн
где ps — парциальное давление, Па, пара откачиваемой ж идкости, которое за­
висит только от температуры; рвн — парциальное давление, Па, откачиваемого
газа; рВып — давление, Па, выпуска газа. Работа мокрого ВН максимальна при
(Рвып ~ P s )/P rh — 2,71.
М ощность, Вт, на валу мокрого вакуум-насоса складывается из мощности,
затрачиваемой на откачивание жидкости, и мощности на изотермное сжатие
газа:
----—
W (Рвып - Рвн) + РвнКн In
N B = ------------------------------------ ^ ---- ,
Т
^м
е
х
(3.42)
где W — расход откачиваемой ж идкости, м3/с ; VBH — расход откачиваемого
газа при условиях всасывания в вакуум-насос, м3/с ; г), и )}мех — изотермный
и механический КП Д насоса.
Еще одним отличием механических ВН от ком прессоров является высокая
степень сжатия газа. Даже при низком вакууме, когда его относительная ве­
личина составляет, например, 95%, для вывода газа в атмосферу необходима
степень его сжатия более чем в 20 раз.В этом случае очень низок коэф ф ициент
объемного наполнения (см. раздел 3.1.4). Д ля повы ш ения последнего вакуумнасосы многих типов снабжают так называемыми перепускными устройствами
различных конструкций, выравнивающ ими давления по обе стороны порш ня
в конце его хода. Одним из таких устройств являю тся перепускные каналы
Сжатие и расширение газов
❖
133
6
рис. 3-22. Схема цилиндра поршневого ВН с перепускными каналами (а) и процессы в нем
Ha Р - ' i диаграмме (б)
134
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕП ЛО ТЕХ НИ КА
❖
ГлаваЗ
КН в цилиндре машины (рис. 3-22а). При отсутствии этих каналов остаток
сжатого газа из мертвого пространства, имея давление рвып, расш иряется по
мере движ ения порш ня слева направо до давления всасывания рвн (кривая DA
на рис. 3-226) и 7нап = К с /К ш - В вакуумных насосах с перепускными каналами,
когда порш ень приходит в левое крайнее полож ение, этот же остаток газа
перетекает по левым каналам К Н в правую полость цилиндра, где давление
равно рв„ (это положение порш ня изображ ено на рис. 3-22а). При перетекании
газа давление во вредном пространстве падает от рвып до р по линии О Д ,
а затем, при движении порш ня вправо, остаток газа расш иряется по кривой
D iA , и всасывание (процесс Ai В) начинается почти в самом начале хода
порш ня, объем всасываемого газа увеличивается до V ^i и 7Напі = ^всі/^пол >
> 7нап- Аналогично протекает процесс по правую сторону порш ня, т.е. при его
ходе справа налево. В результате удается повысить коэф ф и циент объемного
наполнения до 0,8. .. 0,9.
Наличие вредного пространства, конструктивно неизбеж ного, является
причиной, по которой механические вакуум-насосы не только не могут создать
абсолютного вакуума, но имеют теоретический предел этой величины.
Поршневые вакуумные насосы, в которых сжатие и выброс газа происходит
в результате возвратно-поступательного движения порш ня, изготавливаются
трех типов: с клапанны м и комбинированны м распределением и выравнива­
нием давления (тип В Н К -М ), с принудительным распределением одноступен­
чатые (тип ВН П) и с принудительным распределением двухступенчатые (тип
Д В Н П ). Насосы ВНП и Д ВН П предназначены для откачки газов, не содер­
жащ их механических примесей и капельной влаги, т.е. сухих газов. Насосы
ВН К-М являю тся «мокрыми», так как предназначены для откачки паров из
вакуумируемых объектов с предварительной конденсацией их в конденсаторе,
т.е. практически откачиваю т газожидкостную смесь. В условное обозначение
этих насосов добавлена буква М.
П о расположению рабочих цилиндров порш невые вакуум-насосы делятся
на горизонтальные и веритикальные.
Разрежение, создаваемое порш невыми вакуум-насосами, зависит главным
образом от уплотнения порш ня в цилиндре и от объема мертвого пространства.
У мокрых вакуум-насосов размеры мертвого пространства и распределительных
узлов больше, чем у сухих. Они создают предельное остаточное давление 5 •
• 103 Па. Сухие вакуум-насосы ВНП создают предельное остаточное давление
400 Па, а Д В Н П - 40 Па.
П оршневые вакуум-насосы имеют установленную мощ ность 0,1 кВт на 1 л/с
откачиваемого газа, но обладают относительно низкой быстротой действия
( 1 0. . . 100л /с) и имеют те же недостатки, что и порш невые компрессоры.
Поэтому, где возможно, им предпочитают вращательные вакуумные насосы,
в которых сжатие и выброс газа осуществляются в результате вращ ения ротора.
Сжатие и расширение газов
❖
135
Вращательный пластинчато-роторный вакуумный насос имеет условное
обозначение РВН. Его конструкция и принцип действия аналогичен соот­
ветствующему компрессору (см. раздел 3.1.9 и рис. 3-9). РВН имеют быстро­
ту действия 6;25:50м3/м и н (т.е. И):42:83л/с). Одноступенчатые РВН создают
остаточное давление до 2 • 103 Па, двухступенчатые — ДРВН — до 70 Па. Глав­
ным недостатком пластинчатых вакуум-насосов является падение их объемного
КПД при износе пластин, приводящее к утечкам газа с нагнетательной стороны
на всасывающую через неплотности. Кроме того высокая степень сжатия при­
водит к значительному повышению температуры газа. Для снижения темпера­
туры газа корпус насоса имеет водяное охлаждение. Для увеличения объемного
коэффициента полезного действия прибегают, как и в поршневых вакуумнасосах, к перепуску газа из вредного пространства в камеру наименьшего
давления. РВН предназначены для откачки воздуха и неагрессивных газов,
предварительно очищенных от механических загрязнений и капельной влаги.
Достоинствами этих насосов является простота конструкции, быстроходность,
возможность непосредственного соединения с электродвигателем, хорошая
Уравновешенность.
Другим распространенным типом вращательных вакуум-насосов являются
надкостно-кольцевые вакуумные насосы, в частности водокольцевые вакуумнасосы, имеющие обозначение ВВН. Насос (рис. 3-23) состоит из цилиндриче­
ского корпуса (статора) 1 с эксцентрично установленным ротором 4 с закреп­
ленными на нем лопатками, которые при вращении ротора отбрасывают воду
к стенкам корпуса, образуя врашаюшееся водяное кольцо 6. Между лопатками
ротора и водяным кольцом образуются полости с изменяющимся объемом. Эти
полости является рабочим объемом машины. Вверху внутренняя поверхность
136
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава 3
водяного кольца касается ступицы ротора и препятствует перетеканию газа
с нагнетательной стороны на всасывающую. На протяжении полуоборота рото­
ра по направлению стрелки влево от вертикальной оси свободное пространство
между лопатками ротора и водяным кольцом увеличивается по объему и в него
всасывается газ из всасывающего патрубка 2 через всасывающее окно 3 в тор­
цевой крышке корпуса маш ины. На протяж ении второго полуоборота ротора
(вправо от вертикальной оси) свободное пространство уменьш ается по объему,
при этом газ сначала сжимается, а затем вытесняется через нагнетательное
окно 7 в патрубок 5. ВВН просты по конструкции, надежны, имеют низкий
уровень шума. П роцесс сжатия в них газа протекает изотермно, интенсивный
теплообмен позволяет откачивать легко разлагаю щиеся, полимеризую шиеся,
воспламеняю щ иеся и взрывоопасные газы, а так же газы с парами капельной
жидкости и даже твердыми инородными включениями. О днако создаваемое
ими разреж ение зависит от температуры воды в насосе: чем ниже температура,
тем ниже остаточное давление. П редельное остаточное давление, создаваемое
этими насосами, 2 - 103 Па. Быстрота действия ВВН изменяется в пределах
(0 ,7 5 ...3 0 0 )м 3/м и н , т .е . (1 2 ...5 0 0 0 )л /с . Установленная мощ ность составляет
(0 ,1 1 ...0 ,2 2 )кВт на откачивание 1л /с газа, КПД не превышает (4 0 ...45)%
в связи со значительным расходом энергии на вращение ж идкостного кольца.
Пример 3.4. Какое остаточное давление можно создать водокольцевым вакуумнасосом, используя: оборотную воду с температурой t„„ = 30°С, речную — tep =
= 20 °С, артезианскую — teapfn = 10 °С?
Решение. При f„.0 = 30°С давление насыщ енных паров воды р„ = 4.24 кП а
(см. прил. 1), следовательно, на входе в водокольцевой вакуум-насос давление
будет рвн > 4,24 кПа. При <в р = 20 °С, ps = 2,34 кП а, рвн > 2.34 кП а. При fB.aрт =
= 10°С , ps = 1,23кП а, рвн > 1.23кПа.
Для создания большего разряж ения используются вакуумные насосы с м ас­
ляны м уіиотнением, внутреннее пространство которых залито маслом. Масло
создает хорошее уплотнение и уменьш ает влияние мертвого пространства, так
как последнее также заполняется маслом. Благодаря низкой упругости паров
масла масляные насосы обеспечивают значительно меньшее остаточное давле­
ние, чем водокольцевые. Вращательные масляные насосы изготовляются трех
типов: пластинчато-роторны е, пластинчато-статорные и плунжерные (золот­
никовые).
Ш астинчато-роторные масляные вакуумные насосы (рис. 3-24) осущ е­
ствляю т сжатие откачиваемого газа с помощ ью ротора 5, установленного э к с­
центрично в корпусе 3. Ротор имеет скользящ ие пластины 7, которые за счет
центробежной силы и пружины 6 плотно прижимаются к корпусу. При вращ е­
нии ротора образуют ячейки а и б переменного объема. Уменьш ение объема
газа в ячейке 6 сопровождается повыш ением его давления. Сжатый газ выбра­
сывается через нагнетательный клапан 4. Всасывание газа происходит через
Сжатие и расширение газов
❖
137
Рис. 3-24. Пластинчато-роторный масляный вакуумный насос.
клапан 2. Клапан 1 служит для дозированного напуска газобалластного газа
при откачке паров и парогазовых смесей с целью предотвращения конденсации
откачиваемых паров в насосе. 8 — масляная ванна. Пластинчато-роторные
насосы с двумя пластинами делаются двуступенчатыми: выход первой ступени
соединен каналом с входом второй ступени. Эти насосы имеют обозначение
НВР-Д. они создают предельное остаточное давление около 1 Па при быстроте
действия 1 или 5л /с газа.
Аналогичный принцип используется в гишстинчато-статорных масляных
вакуумных насосах (рис. 3-25) с той разницей, что пластины перемешаются
поступательно в пазах, имеющихся в статоре.
Рабочим органом плунжерного масляного вакуум-насоса (рис. 3-26) является
плунжер 2, жестко закрепленный на роторе 3 с эксцентриком 4. Плунжер
Вход
Рис. 3-25. Пластинчато-статорный масляный вакуумный насос.
Выход
Рис. 3-26. Плунжерный (золотниковый) масляный вакуумный насос.
138
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
v-
Глава 3
Рис. 3-27. Двухроторный вакуумный насос.
скользит в золотнике 1, колеблю щимся в соответствующем гнезде статора 5
при вращ ении ротора 3. Такие вакуумные насосы и агрегаты называются также
золотниковы ми (Н В З и АВЗ). Одноступенчатые АВЗ и НВЗ создают предель­
ное остаточное давление 10 Па, двуступенчатые — 1 Па. Быстрота их действия
( 2 0 ... 500) л /с.
Газ, поступающий в роторные масляные насосы, должен быть освобожден
от конденсирующ ихся паров, механических загрязнений и капель влаги.
Показатели работы роторных масляных насосов определяю тся прежде всего
качеством масла, которое сильно ухудшается при попадании в него влаги.
Это может происходить в результате повыш ения давления паров влаги при
сжатии отсасываемой смеси. Для предотвращения конденсации водяного пара
большинство вакуум-насосов снабжается газобалластными устройствами, с по­
мощью которых отсасываемая парогазовая смесь разбавляется атмосферным
воздухом так, чтобы сделать невозможной конденсацию водяного пара. Однако
добавление в откачиваемый газ атмосферного воздуха увеличивает энергозатра­
ты на создание и поддержание вакуума. Потребление энергии масляными р о ­
торными вакуум-насосами составляет (0,11.. .0,15) кВт на 1 л /с откачиваемого
газа. Расчет потребляемой мощности ведется по формулам для мокрых вакуумнасосов.
Двухроторные вакуум-насосы (ДВН) представляют собой роторную машину
типа Руте (рис. 3-27). Рабочий орган такого насоса состоит из двух ф игур­
ных порш ней 3, вращающихся синхронно с частотой 1500 или 3000об/м ин.
Между вращающ имися порш нями и между порш нями и стенками корпуса /
предусмотрены небольш ие зазоры, что исключает необходимость подачи см аз­
ки в проточную часть насоса. Каждый порш ень со своим валом 2 образует
Сжатие и расширение газов
❖
139
Рис. 3-28. Струйный вакуумный насос.
неразъемное соединение — ротор, опирающийся на подшипники качения.
Вращение роторов синхронизирует пара цилиндрических косозубых колес. Эти
насосы создают предельное остаточное давление 0 .5Па при обязательном на­
личии насоса предварительного разряжения. Их быстрота действия от 250 до
1500л/с. При этом потребляемая мощность составляет порядка ( 7 . . . 22) Вт на
1л/с откачиваемого газа.
3.2.6. С
т
р
у
й
н
ы
ев
а
к
у
у
м
н
ы
ен
а
с
о
с
ы
Струйные вакуумные насосы также являются газоперекачивающими, но
откачивающие действие их основано на захвате удаляемого газа струей жид­
кости, пара или газа. В них сжатие отсасываемого газа происходит за счет
использования кинетической энергии струи рабочей среды.
В водоструйных насосах отсасываемый газ захватывается струей воды.
Остаточное давление зависит от температуры воды и обычно находится на
уровне (1.5 . . . 3 ) 1 0 'Па. Водоструйные насосы из-за относительно большого
расхода воды получили распространение в основном для лабораторных целей
или в комбинации с пароструйными насосами. Водоструйные насосы по прин­
ципу действия и конструкции аналогичны нижерассматриваемому пароструй­
ном) ВН.
В пароструйных насосах (эжекторах) рабочей средой является пар, давление
которого превышает атмосферное. Схема пароструйного вакуум-насоса, рабо­
тающего на водяном паре, и эпюра распределения давления в нем приведены
на рис.3-28. Рабочий пар 1 при высоком давлении рр
а
6 = (0 ,5 ... 1,5) МПа
подается в сопло СО, где его давление падает до рвн, а скорость возрастает
(до 1000м/с и более). Истекая в камеру смешения СМ, пар подсасывает от­
качиваемый газ 2. Смесь газа и пара поступает в диффузор ДФ, где давление
смеси увеличивается до рвып- а скорость уменьшается до значений равных или
меньших 30м/с. Таким образом, рргь > Рвып > Рви- Степень сжатия подсасы-
140
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава 3
ваемого газа 0 = Рвып/Pm ^ ( 5 ... 10), поэтому, если ршп равно атмосферному
давлению, то рвн ^ 104 Па.
О тнош ение расхода подсасываемого газа т г к расходу рабочего пара mi
назвается коэффициентом инжекции
И= — .
ОТ]
(3.43)
К оэф ф ициент инж екции всегда меньше единицы И < 1.
Энергетический баланс процесса в струйном ВН описывается уравнением
(2.38):
m \h \ + m 2/i2 = (mi + m 2)h3,
(3.44)
где h i, h2, h3 — удельные энтальпии соответственно потоков рабочего пара,
подсасываемого газа, выходящей из диф ф узора смеси.
Из уравнений (3.43 ) и (3.44) следует, что
И = ^ 1—
Һ3 — Һ2
(3.45)
К оэф ф ициент полезного действия есть отнош ение работы сжатия подсасывае­
мого газа к работе расш ирения рабочего пара
Ч= И—
hi —пз
Этот коэф ф ициент не превышает значений (1 5 .. .20)%.
(3. 46)
Пример 3.5. Определить разряжение, которое может быть создано рабочей
струей воды в камере водоструйного насоса. На выходе из диффузора давление
атмосферное, скорость струи 2,7 м /с, диаметр диффузора 50 мм. Диаметр сопла
23 мм.
Решение. П ринципиальная схема водоструйного вакуум-насоса аналогична
пароструйному насосу, представленному на рис. 3-28.
П ренебрегая расходом отсасываемого газа, напиш ем уравнение расхода для
потока воды
Wifi _ Шз/з
VI
v3
где wi и ш3 — скорость воды в сопле и в диф ф узоре, м/с; Л и /3 — площади
сечения сопла и диф ф узора, м; vi и v3 — удельные объемы ж идкости в сопле
и в диф ф узоре, для капельной жидкости vi = v3 = v;
f iL Х<% .
hf - M4 где di и d3 — диаметры сопла и диф ф узора, м;
d\
„ _ 502 • H T 6
142 ❖ Т
Е
Х
Н
И
Ч
Е
С
К
А
ЯТ
Е
Р
М
О
Д
И
Н
А
М
И
К
АИТ
Е
П
Л
О
Т
Е
Х
Н
И
К
А❖Г
л
а
в
а
3
Всасывание
Рис. 3-29. Пятиступенчатый струйный вакуумный насос.
смесей и запы ленны х газов. Все это актуально для биотехнологий, где такие ВН
применяю тся в процессах охлаждения, суш ки, вы парки, перегонки и т.д.
Пример 3.6. Для создания остаточного давления 13377а используется пароструй­
ный вакуум-насос. Сколько ступеней должно быть в нем, если принять, что
в одной ступени газ сжимается примерно в 4 раза. После каких ступеней сле­
дует устанавливать барометрические конденсаторы и какой температуры воду
следует в них подавать?
Решение. Если принять, что после последней ступени газ выбрасывается
в атмосферу под давлением 1,06 105 Па, то, согласно уравнению (3.13), после
его логарифм ирования число ступеней долж но быть
, 1,06 • 105
1
"
133
In 4 ~
П ринимается г = 5, тогда отнош ение давлений в одной ступени
Сжатие и расширение газов
❖
143
Давление водяного пара и газов после четвертой ступени
Рост.4 —
1,06 - 105
3~gQ--- ~
^
На барометрический конденсатор, установленный после этой ступени, необ­
ходимо подавать воду с температурой fB ниже соответствующей температуры
насыщения водяных паров. При давлении росТ4 = 2,8 ■ 104 Па температура
насыщения водяных паров равна t .A = 67,55°С (см. прил. 2), т.е.
< 67,55°С.
После третьей ступени давление газов и паров
,3 = 2,8 104/3.80 =
= 7.37-103 Па. температура насыщения t,.3 = 39.5°С, t„_3 < 39,5 °С.
После второй ступени: р„„,2 = 7,37 • 103/3.80 = 1.9 ■103 Па, t, 2 = 16,5°С,
(».з < 16,5 °С.
После первой ступени: Росгл = 1-9 10s/3,80 = 500 Па, водяной барометри­
ческий конденсатор не устанавливается, так как при этом давлении вода из
парообразного состояния переходит в твердое.
В вакуумируемом объекте ржт = 500/3,80 = 132 Па. Водяной конденсатор
смешения после объекта не устанавливается.
Таким образом, выделяющиеся в объекте газы и пары сжимаются первой
ступенью пароструйного ВН. Второй ступенью сжимаются газы и пары объек­
та, а также рабочий пар первой ступени. После второй ступени пароструйного
ВН происходит конденсация паров объекта и рабочего пара первой и второй
ступеней. В третьей, четвертой и пятой ступенях сжимаются только газы, так
как рабочий пар предыдущих ступеней конденсируется в барометрических
конденсаторах (см. рис. 3-29).
Для создания среднего и высокого вакуума используются диффузионно­
эжекторные вакуумные насосы. Они являются пароструйными вакуумными
насосами, в которых захват газа струей происходит за счет диффузии газа
в струю и турбулентно-вязкостного захвата газа струей. Эти ВН работают на
жидкостях с низкой упругостью паров, например, ртути, вакуумном масле,
кремнийорганических жидкостях и др.
На рис. 3-30 дан общий вид диффузионно-эжекторного паромасляного ВН.
Электрический подогреватель Г обеспечивает кипение рабочей жидкости (мас­
ла) ], образующиеся пары 2 поднимаются по трубе ТБ и истекают с большой
скоростью через щелеобразное сопло СО (сопло зонтичного типа). При своем
истечении пары увлекают отсасываемый газ 3, который поступает через шту­
цер ШТ1. Далее рабочие пары конденсируются на охлаждаемой поверхности
корпуса (для чего в рубашку РБ корпуса подается вода 4 ), конденсат стекает
в кипятильник. Откачиваемый газ сжимается за счет превращения полученной
скоростной энергии в энергию давления и выбрасывается через штуцер ШТ2
(поток 5).
Для создания остаточных давлений меньше 10 " Па служат газоулав.швающие вакуумные насосы, в которых используется принцип сорбции или конден­
сации молекул газа на внутренних поверхностях насоса. Эти ВН не являются
144
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
Рис. 3-30. Диффузионно-эжекторный вакуумный насос.
энергоемкими аппаратами. Их устройство и принцип действия описаны в кн и­
ге [41.
3.2.7. В
а
к
у
у
м
н
ы
ел
о
в
у
ш
к
и
Вакуумные ловушки предназначены для предотвращения проникновения
паров и газов из одной части вакуумной системы в другую или для сниж ения
их парциального давления.
В конденсационны х вакуумных ловушках происходит конденсация паров
и газов на их внутренних охлаждаемых поверхностях. Для охлаждения таких
ловушек используются сжиженные газы или фреоны , циркулирующ ие от хо­
лодильных агрегатов. В них может происходить конденсация как в жидкость,
так и переход в твердое состояние в зависимости от свойств пара.
В сорбционны х вакуумных ловушках происходит сорбция газов и паров
поверхностью пористого сорбента.
В ионных вакуумных ловушках используется ионизация определенных
нежелательных компонентов из газовой смеси для их удаления.
К высоковакуумным ловушкам относятся также механические (маслоотра­
жатели), электрические, химические и т.д.
Ловушки служат не только для задерживания паров, но они по существу
сами являются газоулавливающими насосами, которые способствуют созданию
более высокого вакуума. Скорость откачки ловуш ек может во много раз превы-
Сжатие и расширение газов
'V'
145
Рис. 3-31. Схема вакуумной установки
шать скорость откачки как пароструйных, гак и механических насосов. Можно
сказать, что ловушки являются вспомагательным средством для получения
высокого вакуума. Оптимальные решения конструкций находятся опытным
путем.
3.2.8. В
а
к
у
у
м
н
ы
еу
с
т
а
н
о
в
к
и
Совокупность взаимосвязанных устройств для создания, повышения и под­
держания вакуума, приборов для вакуумных измерений, а также откачиваемых
сосудов и связывающих их вакуумных трубопроводов называется вакуумной
системой.
Вакуумная система с устройствами, обеспечивающими ее действие, назы­
вается вакуумной установкой.
В разделе 3.2.3 было показано, что работа вакуумных насосов характери­
зуется наибольшим давлением запуска и наибольшим выпускным давлением.
Эти давления могут как равняться атмосферному давлению, так и быть меньше
него.
Если рассматриваемый насос для запуска требует предварительного раз­
ряжения, то последовательно с ним устанавливается другой насос — насос
предварительного разряжения, предназначенный для понижения давления в от­
качиваемом объеме от атмосферного до значения, при котором может начать
работу рассматриваемый насос.
Для поддержания необходимого давления в выходном сечении рассматри­
ваемого насоса высокого вакуума, при котором последний может обеспечивать
заданные параметры откачки, после него устанавливается дополнительный вакуум-насос, который называется форвакуумным насосом.
Вакуумный насос, устанавливаемый между форвакуумным и высоковакуум­
ным насосами с целью приведения в соответствие выпускного давления высо­
ковакуумного насоса с впускным давлением форвакуумного насоса, называется
бустерным вакуумным насосом.
146
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА М ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
Схема вакуумной установки для процесса, например, сублимационной суш­
ки, сопровождающегося выделением паров и проводимого в условиях среднего
вакуума, представлена на рис. 3-31. Непосредственно за откачиваемым объ­
ектом О Б устанавливается конденсатор К, в котором конденсируются пары,
выделяющиеся в объекте ОБ, конденсат паров (поток 1) в жидком или твердом
состоянии отводится из аппарата, а неконденсирую ш ийся газ и несконденсировавшаяся при данной температуре часть пара (поток 2) удаляется системой
вакуумных насосов: ВН 1 — вакуумный насос для создания в объекте заданного
вакуума, ВН2 — бустерный вакуум-насос, ВНЗ — форвакуумный насос, В ат­
мосферу выбрасывается поток газа 3. Байпасный трубопровод 4 предназначен
для откачки объекта, минуя вакуумный насос ВН1, т.е. служит для создания
предварительного разряжения в объекте ОБ включением только насоса ВНЗ.
В любом случае необходимо предварительно конденсировать пары, вы­
деляю щ иеся в вакуумируемом аппарате, для того, чтобы они не попадали
в вакуумный насос, так как отсутствие конденсации вызывает дополнительные
(часто значительные) энергозатраты по откачке паров, а также может привести
к порче вакуумных насосов из-за возможной конденсации паров при их сжатии
в вакуумных насосах.
3.3. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ НА
СЖАТИЕ ГАЗОВ В КОМПРЕССОРАХ
И ВАКУУМНЫХ НАСОСАХ
Экономичность работы маш ин для сжатия газов, как в компрессорах, так
и в вакуумных насосах, зависит от многих факторов, в первую очередь — это
энергозатраты, для снижения которых применяю тся нижеперечисленные меры.
1. Следует использовать машины с высокими механическими и термодина­
мическими коэф фициентам и полезного действия, с перепускными каналами
сжатого газа из мертвого пространства в пространство всасывания. Несмотря
на большую стоимость такой маш ины, затраты быстро окупаются в ходе ее
эксплуатации.
2. М ашнны должны быть хорошо охлаждаемыми (изотермны ми) и (или)
многоступенчатыми. Температура воды на выходе из устройств для охлаждения
газа долж на быть ниже 40 °С, при этом разница между температурой воды
и температурой охлаждаемого газа долж на быть не менее ( 1 2 ... 15) К. Чем ниже
температура воды, а следовательно, и газа, тем меньше энергозатраты.
В двуступенчатом компрессоре при приблизительном равенстве работ сжа­
тия в ступенях недоохлаждение газа в промежуточном охладителе на ( 5 ... 6) К
вызывает дополнительны й расход электроэнергии на сжатие газа во второй
ступени примерно на 1%.
Сжатие и расширение газов
❖
147
Недоохлажяение газа вызывается недостаточным расходом охлаждающей
волы, ее повышенной температурой, а также снижением интенснвности теп­
лообмена в охладителях та счет образования слоя накипи в трубках. Повыше­
ние гидравлического сопротивления системы приводит к уменьшению расхода
охлаждающей воды, увеличению ее температуры и еще более интенсивному
отложению накипи. Таким образом, промежуточные охладители следует регу­
лярно очищать от накипи.
В холодный период года энергетически выгоднее охлаждать газ сначала
в водяном, а татем в воздушном охладителе, либо только в воздушном (при
отключенном водяном охладителе), а в теплый период — сначала в воздушном,
а затем в водяном.
3. Утилизация теплоты охлаждающей воды увеличивает общий коэф фи­
циент полезного использования подведенной энергии. (Этот вопрос подробно
рассмотрен в разделе 6.3.2).
4. Для противодействия росту температуры всасываемого в компрессоры
воздуха следует всасывающие устройства располагать с теневой стороны зда­
ния. а всасывающие трубопроводы теплоизолировать, если они проходят по
горячему цеху.
5. Температура воды, подаваемой в водокольпевые и струйные компрессоры
и вакуумные насосы, а также в барометрические конденсаторы должна быть
возможно более низкой.
6. С целью повышения эффективности работы компрессоров необходимо
стремиться к их наибольшей загрузке, т.е. при выборе типа компрессора необ­
ходимо строго руководствоваться требованиями к количеству и давлению сжа­
того газа. Уменьшение давления газа путем дросселирования, после того как
была затрачена энергия на его сжатие, недопустимо. Также недопустимо умень­
шать количество газа, нагнетаемого компрессором, перекрытием задвижек на
нагнетательном или на всасывающем трубопроводах, а также перепускать газ
из нагнетательного во всасывающий трубопровод.
7. При наличии паров во всасываемых тазах необходимо их улавливание
или конденсация перед сжатием. «Разбавление* всасываемых газов воздухом
(во избежании конденсации паров при сжатии) приводит к дополнительным
затратам энергии. Конденсация паров при сжатии в рабочих пространствах
компрессоров или вакуум-насосов может привести их в аварийное состояние.
8. На экономичность работы компрессорных установок влияет состояние
газовых фильтров, которые должны ресулярно очищаться. Повышение сопро­
тивления фильтров приводит к снижению подачи компрессора и увеличению
удельного расхода электроэнергии. В зимнее время необходимо предотвращать
обмерзание фильтра, что также приводит к увеличению его сопротивления.
Предварительная очистка газов от механических загрязнений обязательна
Для нормальной работы поршневых и пластинчатых компрессоров и вакуумных
насосов.
148
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава 3
9. При эксплуатации компрессорных и вакуумных установок необходимо
следить за исправностью м аш ин, охладителей, трубопроводов и других аппара­
тов, комплектующих установку, контролировать давления и температуры, про­
водить смазку узлов, очистку ф ильтров и охладителей, осуществлять плановые
ремонты,
10. При использовании сжатых газов, а также аппаратов, работающих под
вакуумом, следует исключить негерметичность оборудования. Истечение сжа­
тых газов в атмосферу и натекание атмосферного воздуха в вакуумируемое
оборудование происходит обычно со звуковой скоростью (см. раздел 1.5.1), что
ведет к значительному перерасходу энергии на создание вакуума или получение
сжатых газов.
3.4. РАСШИРЕНИЕ ГАЗОВ
3.4.1. О
с
н
о
в
ыт
е
о
р
и
ир
а
с
ш
и
р
е
н
и
яг
а
з
о
в
В данном разделе рассматривается адиабатное расширение рабочего тела
при пониж ении давления. Расш ирение может происходить без отдачи работы
при дросселировании, а может происходить с отдачей работы. Отводимая от
рабочего тела работа является располагаемой, в данном случае она называется
внеш ней. Величина получается со знаком плюс, так какр-> < pi и Л2 < hi. Знак
плюс указывает на то, что работа отводится.
Расширение с отдачей внешней работы при температурах выше Гос, т.е.
в высокотемпературных процессах, предназначено для получения механиче­
ской или электрической работы. М ашины для получения работы называются
двигат ем ни. Д вигатели, аналогично компрессорам, бывают объемного и ки­
нетического типа, последние называются турбинами.
На рис. 3-32 в е - Һ координатах в области р > рж и Г >
показаны про­
цессы идеального адиабатного расш ирения 1—2 при si = s2 = const и реального
процесса 1—3. когда энтропия увеличивается, s3 > s2. В процессе 1—2 отводится
располагаемая (внеш няя) работа /і _2 = Лі - Һ2. (В разделе 1 располагаемая
работа была обозначена /р). Эта работа получается за счет уменьш ения эксергии
рабочего тела Д е і_2 = ei - е2 = 1ц - ho (так как s = const). Следовательно
эксергетический КП Д этого процесса равен единице, т.е. 100%:
Для реального процесса 1—3: работа /2_3 = hi - h 3\ изменение эксергии Д е і_3 =
= ei - е3 = (/ii - h3) - T0c(s! - s3). Эксергетический КП Д реального процесса
меньше единицы:
һ-з
Сжатие и расширение газов
149
Рис. 3-32. Изменение эксергии потока при расширении в области Т > Тх и р > рх
Эксергетический КПД сравнивает два эффекта одного и того же реального
процесса, в идеале т)е может быть равен единице. При использовании тер­
модинамического (в данном случае адиабатного) КПД для оценки реального
процесса расширения сравнивается работа, получаемая в реальном процессе
1-3, с работой несуществующего идеального процесса 1—2:
һ-з
п
=Т
Г
,-
Эго обстоятельство приводит к тому, что при многоступенчатом расширении
невозможно установить связь между адиабатными КПД отдельных ступеней
и КПД машины в целом. Эксергетический КПД напротив, позволяет это
сделать довольно просто [3].
Дросселирование при температурах выше Тж было рассмотрено в примере
1 19. Расчет изменения эксергии при дросселировании приведен в примере 2.3.
Использование дросселирования с целью снижения параметров, например гре­
юшего пара, ведет только к потерям эксергии, следовательно, с термодинами­
ческой точки зрения нежелателен.
На рис. 3-32 для сравнения показан процесс дросселирования l—4fкогда
уменьшение эксергии не дает положительного эффекта в виде работы /|_ і =
= АЛ1-4 = 0, и, следовательно, вся израсходованная эксергия теряется, т.е.
КПД равен нулю.
Расширение рабочего тела при температурах ниже Т1К используется для
понижения температуры рабочего тела.
Дросселирование при температурах ниже Тж позволяет снижать температуру
Рабочего тела, т.е. увеличивать термическую составляющую e j его эксергии за
150
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 3
е
X 2/
\
\
\
\
N
\
\
hi =/гэ
h
Рис. 3-33. Изменение составляющих эксергии потока при дросселировании в области
Г С Г ос.
счет уменьш ения деф орм ационной составляю щей ер. И зображение процесса
дросселирования в е - h координатах дано на рис. 3-33. Н ачальная точка 1
соответствует давлению р\ и температуре 1\ < Тж , конечная точка 2 — дав­
лению р 2 < pi и температуре Т2 < Тх. Процесс дросселирования 1—2 идет
по линии h 1 = h2 = const. В этом процессе ер уменьш ается на величину Лер
(находится по линии Т\ = const, процесс 1—3), а е г возрастает на величину Дет
(находится по линии р2 = const, процесс 3—2). Эксергетический КП Д такого
дросселирования:
(3.47)
В области температур рабочего тела ниже Тос и одноврем енно ниже критиче­
ской температуры Тк значение ?/, процесса дросселирования может достигать
значений 0,8. 0,9 и даже больше (см. пример 3.7)
Пример 3.7. Определить изменение температуры и эксергетический КПД процес­
са дросселирования воздуха от давления р i = 20 МПа и температуры Т\ = 130 К до
давления р 2 — 0,1 МПа.
Решение. При дросселировании температура уменьш ается до Т2 = 82 К
(см. прил. 14 и рис. 3-34). И зменение температуры Д Г = 82 - 130 = -4 8 К.
Эксергия воздуха в точке 1 ех = 580 кД ж /кг, в точке 2 е2 = 415 кД ж /кг, в точке
3 е3 = 75 кД ж /кг. Следовательно,
Д еР = е3 - вх = 75 —580 = -5 0 5 кД ж/кг.
Дет = е3 - е2 = 75 - 415 = -3 4 0 кД ж /кг,
Сллтиг и расширение газов
❖
151
Рис. 3-34. Процесс дросселирования в области Т < Г, (к примеру 3 7)
Л
е
т
340
= 0,67
Расширение с отдачей внешней работы при температурах ниже Тж, т.е.
в низкотемпературных процессах, предназначено для снижения температуры
рабочего тела, отводимая при этом работа является «побочным» эффектом.
В этом случае при расчете эксергетического КПД кроме полученной работы
следует учитывать эффект увеличения термической составляющей эксергии
потока. На рис. 3-35 показаны различные процессы адиабатного расширения
рабочего тела от давления pi до д ам ен и я /ъ. В любом процессе деформацион­
ная составляющая эксергии потока уменьшается от і , до е5, т.е. Л е р = es - 1,
(процесс 1 -5 при Т, = const).
При идеальном адиабатном расширении 1—2 при *\ — *г термическая
составляющая эксергии увеличится от >ь до с2 (процесс 5—2 при рг = const),
Т.е. ДеТ2 = es - е2, и будет получена работа /,-> = hi - Л2 = в » - с,. В результате
эксергетический КПД
Л
»Т
2+
Іі-г
_
-
ег
+ ег
-
е
i
_
,
В реальном процессе 1—3. протекающем с увеличением энтропии s3 > *а,
=
(е 5 -
^4*11—2)•
е3) <
Ает г, І і- з
=
(Л і -
Л з) <
һ -г.
П щ -З)
=
(Д ^ т з + Л - з ) /Д е Р <
Для сравнения на рис. 3-35 показан процесс дросселирования 1 -4, Дет, =
~ (f 5 —€"4) < Дстз, Һ 4 = О, If,, j . 4, —Д # Г4/ А* г ^ Tfril - 3)-
152
<>
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛО ТЕХ НИ КА
❖
Глава 3
Рис. 3-35. Изменение эксергии потока при расширении в области Т < Тос и р > рос.
Таким образом, наименьш им является эксергетический КП Д процесса
дросселирования с целью сниж ения температуры рабочего тела, однако дрос­
селем может служить обычный вентиль, а для отвода работы нужна сложная
и дорогая машина.
Использование термодинамического (в данном случае адиабатного) КПД
для оценки эфф ективности процесса расш ирения в низкотемпературной тех­
нике не учитывает эф ф екта сниж ения температуры рабочего тела, а только
сравнивает получаемую работу в действительном процессе расш ирения I, с работой несуществующего идеального процесса 1i_ 2: г) = /і_ з/Һ - t .
3.4.2. Машиныд
л
яр
а
с
ш
и
р
е
н
и
яг
а
з
о
вип
а
р
о
в
Детандер — маш ина, предназначенная для пониж ения температуры ра­
бочего тела при его расш ирении с отдачей внеш ней работы. В детандерах
применяю тся различные способы получения работы, т.е. тормож ения. Выбор
способа тормож ения определяется в значительной степени развиваемой мощ­
ностью. Наиболее эконом ичен ш ироко распространенный способ торможения
асинхронны м генератором с выработкой электроэнергии, возвращаемой в сеть.
Менее распространены способы тормож ения газовыми и масляными тормоза­
ми (в установках специального назначения и микроустановках).
Сжатие и расширение газов
❖
153
Рис. 3-36. Радиальный детандер.
Детандеры, как и компрессоры, подразделяются на два класса: объемного
и кинетического действия. В первых энергия сжатого газа преобразуется в ра­
боту, во вторых — сначала в кинетическую энергию и затем в работу.
В настоящее время наибольш ее распространение из детандеров объемного
действия находят порш невые детандеры, а из кинетического — радиальные
турбодетандеры.
Схема поршневого детандера аналогична схеме поршневого компрессора
стой лишь разницей, что клапаны детандера открываются принудительно с по­
мощью привода. Сжатый газ проходит впускной клапан, расширяется с отдачей
внешней работы на порш ень детандера, при этом температура газа понижается,
и с низкой температурой он покидает детандер через выпускной клапан.
В поршневых детандерах расход газа (0,1 ... 100)м 3/ч , начальное давление
газа (5 ...2 0 )МПа, конечное давление 0.6 МПа, начальная температура газа
20°С, конечная температура газа (-1 0 0 ...-1 5 0 ) °С, адиабатный КПД воздушных
Детандеров 0.60.. .0,75.
Турбодетандеры бывают одно- и многоступенчатые, активные и реактив­
ные. У реактивных машин пониж ение давления происходит в сопловом аппа­
рате и на колесе, а в активных — только в сопловом аппарате.
Схема радиального турбодетандера дана на рис. 3-36. Сжатый газ поступает
через входное устройство /, проходит через неподвижный сопловой аппарат 2,
8 котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинети­
ческую, далее газ попадает на рабочее колесо 3, раскручивая его. Кинетическая
энергия вращающегося колеса преобразуется в работу (вращение колеса тор­
мозится). Получаемая работа передается на вал 5. Газ удаляется через выходное
устройство 4.
В турбодетандерах расход газа ( 1 ... 1000) м3/ч , начальное давление гам (0 .6 ...4) МПа, конечное давление (0,12.. . 0.6 ) МПа, начальная температура
газа 20 С, конечная температура газа ( —1 0 0 ...— 150) С, адиабатный КПД
080 --0,85.
154
О
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава 3
Работа идеального адиабатного детандера 1т равна располагаемой работе
при расш ирении рабочего тела и рассчитывается по уравнениям (1.25), (1.30),
(1.31). (Вывод уравнения аналогичен выводу уравнения для работы компрессо­
ра). Реальная работа детандера учитывает адиабатный КПД v- Работа, возвра­
щаемая детандером в электросеть еще меньш е и пропорциональна электроме­
ханическому КПД, который обычно составляет
= 0.95.. .0.98.
Прежде чем расш ирять газ с целью получения низких температур, он долж­
ен быть сжат компрессором и охлажден до Тж. Компрессор устанавливается на
одном валу с детандером, образуя единый компрессорно-детандерны й агрегат,
имею щий небольшие габаритные размеры и массу. Такие агрегаты использу­
ются в криогенной технике (см. раздел 4.11).
ЦИКЛЫ: ПРОЦЕССЫ
И УСТАНОВКИ
Процесс, в котором рабочее тело, выйдя из начального
состояния и претерпев ряд изменений, возвращается в то
же состояние, называется круговым или циклом.
На основе круговых процессов работают тепловые ма­
шины. холодильные и криогенные машины, тепловые на­
сосы, термотрансформаторы, циклы совместного получе­
ния теплоты и холода.
Циклы бывают прямые и обратные. В прямых циклах
получается работа при подводе к циклу теплоты. В обрат­
ных циклах отводится теплота, для чего затрачивается
(подводится) работа.
4.1. ПРЯМОЙ ЦИКЛ
Классическим примером прямого цикла является цикл
Карно. Он состоит из двух изотермных и двух адиабатных
процессов и может быть реально осуществлен в области
влажного пара рабочего тела. С термодинамическим КГ1Д
цикла Карно сравниваются КПД других циклов. На рисун­
ке 4-1 в координатах Т - я изображен этот цикл. Проиесс
1 - 2 — изотермное расширение рабочего тела. Например,
испарение рабочего тела в области влажного пара осу­
ществляется при постоянной температуре Г„0 и постоян­
ном давлении /іІШ при подводе к единице массы рабочего
тела теплоты, равной ( + ) чпв = ГПв(*г - *і) от горячего
источника. Знак «плюс» или «минус» в круглых скобках
обозначает знак получаемого при расчетах значения ве­
личины. Проиесс 2 - 3 — адиабатное расширение рабочего
тела — осуществляется при отдаче рабочим телом работы
(+ ) /пн. например, в турбинах, при этом давление и тем­
пература рабочего тела понижаются. Проиесс 3 —4 — изотермное сжатие рабочего тела, например конденсация его
156
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава 4
в области влажного пара, осуществляется при по­
ниженной постоянной температуре Тпн и посто­
янном пониж енном (по сравнению с р„в) дав­
лении Рпн при отводе от рабочего тела теплоты
" fî
*
*13
( - ) дпн = TnH(s4 - s3). Процесс 4—1 — адиабатJ----------------- 1-------ное сжатие рабочего тела — осуществляется при
•54—^1
S3 —S2 S
подводе к нему работы ( - ) 1ПВ, например, в маРис. 4-1. Прямой цикл Карно
шинах для сжатия рабочего тела (компрессорах,
насосах), давление и температура рабочего тела
повышаются до Тпв и рпв. Строго говоря, работа 1ПН, получаемая при пониж ении
давления рабочего тела, и работа (Пв> затрачиваемая для повы ш ения давления
рабочего тела, являю тся располагаемыми работами. И ндексы пв и пн означают,
соответственно, повы ш енные и пониженны е давление и температуру, а также
работу и теплоту в процессах повыш ения и пониж ения давлений.
Работа цикла равна алгебраической сумме подводимой и отводимой в цикле
работ: 1и = 1ПВ + 1ПН- Теплота, использованная рабочим телом при соверш ении
цикла, равна алгебраической сумме подводимой и отводимой теплот с/ц = q,Ih +
+ qm . Внутренняя энергия рабочего тела при заверш ении цикла возвращается
к исходному значению. В результате, согласно первому закону термодинам ики,
ди = /ц. Абсолютное значение величины |дПв| больше |дПн|> так как Гпв > Тпн;
поэтому ди > 0, следовательно, при затрате в цикле теплоты (+ ) ди от него
отводится (получается) работа (+ ) 1и.
О тнош ение работы, полученной в прямом цикле, к теплоте, подведенной
к циклу от горячего источника, называется термическим коэффициентом по­
лезного действия цикла:
^
9пв
__ Яи_ _ *?пв + 9пн
<?пв
9пв
І9пв| ' 1<?пн| _
І9пв|
(4 1)
g всегда меньше единицы . Таким образом, всю подведенную от горячего ис­
точника к рабочему телу теплоту <jnB невозможно превратить в работу; часть
ее дпн неизбежно отдается приемнику теплоты при температуре Гпн < Тпв,
т. е. невозможен тепловой двигатель, полностью преобразующий подведенную
теплоту в работу. Это еще одна формулировка второго закона термодинамики.
Для идеального цикла Карно, когда s3 = S2 и S4 = ai,
^ __^ц
К__9п
вЯ
п
н_ Г
п
в
(^2~~^1)+ 7п
н
(&1— s3)_ Г
п
в
—Г
п
н
9п
в Я
п
а
7nB(.S2— Si)
Г
п
в
Г
„в~ Г
П
Н
ІЛ-1\
m = — г ------ •
(4.2)
пв
Прямые циклы осуществляют для получения работы в силовых установках,
в частности для выработки электроэнергии. Этот раздел техники далее не
рассматривается, так как он не характерен для производств, использующих
биотехнологии.
Цикчы: процессы и установки
О
157
4.2. ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ
Классический обратный цикл - это так же цикл Карно, состоящий из двух
иэотермных и двух адиабатных процессов. Но в обратном цикле изотермное
расширение, например, испарение, происходит при пониженной температуре
Тт по сравнению с температурой Гпв изо­
термного сжатия, например, конденсации. На
Т\
рис.4-2 изображен обратный цикл. Процесс j1-2 — изотермное сжатие рабочего тела, на­
пример, конденсация в области влажного па- Т
ра при Тт = const и р пв = const при отводе
от него теплоты ( - ) </„„ = Гп
в
(*2 - s,). Про­
цесс 2-3 — понижение давления рабочего тела
в адиабатном процессе расширения при отдаче ^ ис *"2- Обратный цикл Карно
им работы (+) /пи, например, в детандерах. При
адиабатном расширении давление и температура рабочего тела понижаются.
Процесс 3 - 4 — изотермное расширение рабочего тела (например, испарение
его в области влажного пара) при постоянной температуре Тпн и постоянном
давлении /^н. Для осуществления изотермного расширения к рабочему телу
необходимо подводить теплоту ( + ) цпи = Tml[s4
Процесс 4 - 1 — адиабатное
сжатие рабочего тела, осуществляется при подводе к нему работы ( - )
давление и температура рабочего тела повышаются до р„0 и 7„„.
Работа обратного цикла, так же как и прямого, равна алгебраической су мме
работ /„ = t,m + 1ПИ, Теплота, использованная рабочим телом при совершении
чикла, равна алгебраической сумме теплот </ц = дПм + Чпв- Внутренняя энергия
рабочего тела при завершении обратного цикла возвращается к исходному
значению, следовательно. ди = 1и.
Абсолютное значение величины |?„»| больше |</Пн|. так как Гпв > Тп„, по­
этому ди < о, следовательно, для отвода от цикла теплоты ( - ) Чи необходимо
затрачивать работу ( - ) /ц. Т.е. для того, чтобы передать теплоту с более низкого
температурного уровня на более высокий (Т„„ < 7ПВ) необходимо затратить
работу. Это еще одна формулировка второго икона термодинамики.
В том случае, если целью осуществления обратного цикла является искус­
ственное охлаждение, обратный цикл называется
В этом случае
,ФФективность цикла характеризуется холодильным коэффициентом.
Отношение теплоты, подводимой к обратному циклу от холодного источник работе, затрачиваемой на осуществление цикла, называется
х
о
л
о
д
и
л
ь
н
ы
м
.
^“
Ф
Ф
щ
и
е
н
т
о
мц
и
к
л
а
'.
- Ч
п
н Ч
п
н _ lg"«l
/ц </п
н
+ <7п
в ІЧ
п
н
| І9п
в
|
х
а
.іо
д
и
.іь
н
ы
.ч
(4.3)
Этот коэффициент имеет отрицательный знак, а по абсолютной величине
“сегдабольше единицы. Таким образом, от обратного цикла отводится теплоты
больше, чем подводится к нему.
158
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
Для идеального обратного цикла Карно, когда s2 = »з и sj =
9пн
^ПН(■’4 —S3)
=
Г™ .
(4.4)
<7пн "Ь 9пв
Гп„(54 S3 ) + TnB(S2 Si)
Гпн Тпв
В расчетах обычно используются абсолютные значения величин, т.е . знак
«минус» опускается, тогда
kl= |<7пв|г4~і’
~ І^ПНІ
(4-5)
Іе
к
І=
<46>
ПВ * пн
О братные циклы ш ироко используются в биотехнологиях для изменения
потенциала теплоты.
4.3. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ КПД ЦИКЛА
Эксергия теплового потока была подробно рассмотрена в разделе 2.2.7.
О днако теперь можно дать еще одно определение: эксергия потока теп.юты
eq при температуре Т определяется количеством работы, которая может быть
получена (или должна быть затрачена) в обратимом процессе для переноса
энтропии, характеризующей данны й тепловой поток, на уровень температуры
Гос окружающей среды.
Или иначе: эксергия теплоты — это максимальная полезная работа, которая
может быть соверш ена за счет теплоты q, отбираемой от горячего источника
с температурой Г , если холодным приемником является окружающая среда
с температурой Т,х . Это есть не что иное, как работа, получаемая в цикле
Карно, если приемник теплоты — окружаю щ ая среда.
Из формулы (4.2):
_I
_
eq — <цК — Япв'ПК ~ Япв
^П
в
^п
н—
_Q “
Т
°
с
гр
rp
ІАП
\
1
(4 -')
J-пв
-!■
где Гпв = Т — температура, при которой подводится теплота q = qnB. Обозначим
Ге =
(4.8)
эта величина в разделе 2.2.7 была названа эксергетической температурной
ф ункцией.
Эксергия теплоты является более универсальной ф ункцией, чем теп­
лота. Она учитывает не только значение теплоты, но и ту температуру,
при которой эта теплота передается, причем сравнивает эту температуру
с температурой окружающей среды. По эксергии теплоты удобно сравни­
вать установки, работающие при разных температурах и в разных условиях
окружающей среды.
Эксергетический КП Д прямого цикла:
% = W = Ju_ = Ju_ = l
^зат
€дпв
9лвТе
Те
(49)
Циклы: процессы и установки
❖
159
Если при совершении прямого цикла приемником теплоты, отводимой от
цикла, является окружающая среда, то
Т
п
в~
п
_— rp Т
П
В
/е — Ц
гр _
—1
1.
Те
-/п в -Ііх
Эксергетический КПД обратного холодильного цикла
_ ^пол _ е^пн _ ЧинТе
Пе - - — - —
- £Те
(4.10)
гзат
*ц
«ц
Если при осуществлении обратного холодильного цикла приемником теплоты,
отводимой от цикла, является окружающая среда, т.е. Гпв = Гос, Т = Т„„ < Тх ,
rje= е
т
е
-Г
[Щ— Т
о
с
= 1.
При Г < Гос величина гс имеет отрицательный знак, что говорит о затрате
работы на перенос энтропии на уровень температуры окружающей среды.
Отрицательный знак имеет и холодиль­
ный коэффициент г (см. формулу 4.3),
поэтом) г;е имеет знак «плюс».
Величина е не достаточна для полном
оценки обратного цикла, поскольку на
разных температурных уровнях Т,ш энер­
гетическая ценность одного и того же зна­
чения величины !/„„ различна. При увели­
чении температуры Ггшабсолютное значе­
ние холодильного коэффициента обрат­
ного цикла увеличивается по линейно­
му закону (рис.4-3). Зависимость эксерге­
тического коэффициента г/е от пониж ен­
ной температуры ГП„ имеет максимум, что
позволяет выбрать оптимальные условия
работы обратного холодильного цикла.
Полный эксергетический анализ осу­ Рис. 4-3. Зависимость холодильного ко­
ществления обратного цикла при работе эффициента £ и эксергетического КПД
иарокомпрессионной холодильной уста­ t]e от температуры Гт .
новки см. в примере 4. 1.
4-4. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБРАТНЫХ КРУГОВЫХ
ПРОЦЕССОВ
Хмодшьными называются обратные циклы, в которых подвод теплоты от
голодного источника происходит при температурах ниже температуры окру­
160
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
жающей среды, но выше 120К, т.е. 120К < Гпн < Гос. Отвод теплоты от
холодильных циклов производится при температурах близких к температуре
окружающей среды, т. е. Гпв « Т,ж.
Криогенными называются обратные циклы, в которых подвод теплоты от
ХОЛОДНОГО источника происходит при Гп„ < 120 К, а отвод теплоты при Гпв»
^ Гос.
В обратных циклах теплонасосных установок подвод теплоты осущ ествля­
ется при температурах близких к температуре окружающей среды ТПН « Гх:,
а отвод теплоты происходит при температурах сущ ественно больших темпера­
туры окружающей среды, т.е . Гпв > Гос.
В обратных циклах для совместного получения теплоты и холода: 120 К <
< Гп„ < Гос, Глв > Гос.
Установки, в основе работы которых леж ат холодильные или криогенные
циклы, по назначению делятся на рефрижераторы — для охлаждения внешних
объектов до Гпн < Гос; ожижители — для перевода внеш них объектов в жидкое
или твердое состояние при Гпн < Гос; разделительные установки — для разде­
ления газовых смесей при Гпн < 120 К.
По агрегатному состоянию рабочего тела установки бывают газовыми, в ко­
торых рабочее тело во всех процессах цикла остается в газообразном состоянии;
газожидкостными; парожидкостными; твердотельными.
Во всех обратных циклах пониж ение температуры рабочего тела осущ е­
ствляется за счет его внутреннего необратимого охлаждения при расш ирении
либо в дросселе, либо в детандере.
В химических технологиях и биотехнологиях холодильные установки ис­
пользуются для обеспечения «холодом» процессов суш ки, кристаллизации, аб­
сорбции, адсорбции, экзотермических реакций, кондиционирования воздуха.
В криогенных разделительных установках получаются из воздуха чистые газы,
необходимые в химических и биотехнологиях. И спользование теплонасосных
установок целесообразно для утилизации сбросных потоков теплоты.
4.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОДИЛЬНЫХ
И КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК
О сновной характеристикой любой установки является ее произво­
дительность.
Производительность рефрижераторов Q0, Вт, — холодопроизводительность,
т. е. количество теплоты, отводимое в единицу времени искусственным охла­
ждением от внеш него охлаждаемого объекта (холодного источника теплоты).
(Здесь и далее термины и определения имеющиеся в ГОСТ24393—80 даны по
этому ГОСТу.)
Рабочее вещество холодильного цикла называется холодильным агентом или
хладагентом (ха). Характеристики хладагентов приведены в разделе 4.6.5.
Циклы: процессы и установки
❖
161
Количество теплоты, которое отводится от охлаждаемого объекта с помошью 1 кг циркулирующего хладагента, называется удельной массовой хололопрои іводительностыо дпн, Д ж /кг. Холодопроизводительность холодильной
установки Qo и удельная массовая холодопроизводительность <?„„ связаны со­
отношением
Qo = mXa9nHl
(4 11)
гае шм — массовый расход циркулирующего хладагента, кг/с.
Энергетическая ценность количества отводимой теплоты (или, что то же
самое, производимого холода) зависит от температуры Гп„, при которой это
происходит, а также от температуры Гп„ отвода теплоты от цикла. Эти условия
работы холодильного оборудования называются сравнитегьными. Они всегда
указываются наряду с Qo. Стандартной .холодопроизводительность считается
при температуре fnH = -1 5 °С . если отвод теплоты от цикла осуществляется
при („в = +30 "С.
Производительность ожижителей — это количество получаемых в единицу
времени жидкости или твердого вещества.
Производительность разделительных установок указывает выход каждого
продукта разделения в единицу времени.
Для оценки установки, особенно многоцелевой, бывает необходимо
свести все разнообразные показатели выхода к одному обобщенному
показателю. Для этого используется единый для всех случаев показа­
тель — зксергетическая производительность. Применительно к холодильным
и криогенным установкам она называется эксергетической х.іадопроизводитыьностью, Eqo, кВт.
Для рефрижераторов:
E qo =
Qo<Tf
Таким образом можно определить суммарную производительность установки,
производящей одновременно холод (Qm. Q02 , — Qoi) на нескольких темпера­
турных уровнях (ГпнЬ Гпн2, ..., Гп„,). Непосредственно складывать Цаи Qa?---- Q01 нельзя, так как они качественно различны и полученный результат может
привести к ошибочным оценкам эффективности.
Обобщенный показатель производительности ожижителей:
E qo — (е2 ~ ei )mi*
fi и — эксергии рабочего тела на входе в установку и на выходе из нее,
т г —расход получаемого продукта. Точка 1 соответствует обычно параметрам
окружающей среды.
Обобщенный показатель производительности разделительных установок.
E qo —
где щ _ расход каждого продукта: е10с - эксергия каждого продукта разделе­
ния при давлении и температуре окружающей среды (обычно даны в справоч­
никах).
6—467S
162
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА II ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
Удельная холодопроизводительность рефрижераторов является практически
реальным холодильным коэффициентом:
учитывающим потребляемую мощность N,
N = m lalwl,
(4.12)
где lm — действительная работа цикла.
Удельный расход мощности рефрижераторов:
N
1
Пул~ Qo _ е'
Для ожижителей и разделительных установок удельный расход мощности рас­
считывается на единицу продукта:
N
тж
п уд = — .
(4.13)
Обобщенный показатель энергетической эффективности для всех типов уста­
новок есть эксергетический КПД.
Для рефрижераторов:
Eqo
QoTe
^ = 1^ = —
=ST‘ Величины е и пуа, в отличие от г/,., не отражают непосредственно эффектив­
ность установки, поскольку на разных температурных уровнях Тпн энергетиче­
ская ценность одной и той же холодопроизводительности Qo различна.
4.6. ПАРОКОМПРЕССИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ
МАШИНЫ
Холодильной машиной называется машина, осуществляющая перенос тепло­
ты с низкого температурного уровня на более высокий.
Холодильная машина, в которой холодильный цикл осуществляется с по­
мощью механического компрессора, называется компрессионной холодильной
машиной. В паровой компрессионной холодильной машине холодильный агент
изменяет свое агрегатное состояние.
В парокомпрессионных холодильных машинах в качестве холодиль­
ных агентов используются низкокипящие жидкости, способные ис­
паряться при температурах Тпн- Теплота, необходимая для испарения
хладагента, передается от охлаждаемых объектов с помощью веществ,
называемых хладоносителями (хн). Характеристики хпадоносителей даны
в разделе 4.6.6.
Циклы процессы и установки
❖
163
4.6.1. Ц и к л и д е а л ь н о й м а ш и н ы
Схема идеальной компрессионной
холодильной машины приведена на
рис.4-4а.
Компрессор КМ (рис. 4-4а) засасы­
вает пары холодильного агента и сжи­
мает их до давления р1Ш, при этом
повышается температура холодильного
агента до Гпв. Таким образом происходит
адиабатное сжатие 1—2 (рис.4-4Ô), на
которое потребляется работа L m . После
компрессора пары холодильного агента
поступают в конденсатор К, где конден­
сируются, отдавая теплоту конденсации
Qm в окружающую среду (ос) - воде
или воздуху. Процесс конденсации 2— г
3
2
3 происходит при постоянном дав­ т„,
лении рпв и постоянной температуре
Гпв. т.е. является изотермным сжатием г„„
1
паров. Жидкий холодильный агент из
у
s
конденсатора К поступает в детандер
6
ДТ, где адиабатно расширяется (процесс
3-4), отдавая работу L„H. Давление
и температура холодильного агента при
Рис. 4-4. Схема а и цикл 6 идеальной
этом понижаются до рт и Г „„. Далее холодильной машины.
жидкий холодильный агент испаряется
(процесс 4-1) в испарителе И при постоянной температуре Гпн и постоянном
давлении рп„, т.е. происходит изотермное расширение холодильного агента.
Теплота, необходимая для испарения холодильного агента, подводится от
источника — хладоносителя (хн) который, отдавая теплоту, охлаждается. Эта
теплота является хладопроизводительностью установки Qo.
Идеальные холодильные циклы не применяются в промышленности, так
как сжатие 1-2 влажного пара приводит к быстрому износу компрессора:
а расширение 3—4 в детандере в области влажного пара на практике не отдает
значимой работы, но требует для своего осуществления сложной машины.
4-6.2. Ц и к л ы д е й с т в и т е л ь н о й м а ш и н ы
Действительные машины отличаются от идеальных.
Во-первых, сложный по конструкции детандер заменяется простым устрой­
ством — дроссельным регулирующим вентилем (дросселем), следовательно.
164
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
процесс обратимого адиабатного расширения заменяется необратимым про­
цессом дросселирования, и работа при понижении давления не возврашается
циклом, т.е. работа цикла — это только работа, затрачиваемая на повышение
давления. Следовательно, холодопроизводительность цикла несколько умень­
шается.
Во-вторых, сжатие холодильного агента компрессором происходит не в об­
ласти влажного, а в области перегретого пара, примем компрессор засасывает
сухие насыщенные или даже несколько перегретые пары, при этом рабо­
та сжатия теоретически увеличивается. Практически же производительность
компрессора существенно выше при сухом ходе для всех хладагентов. Это
объясняется главным образом тем, что при влажном ходе «мертвое» простран­
ство существеннее влияет на уменьшение объема засасываемых компрессором
паров. Во время повышения давления температура пара повышается, в резуль­
тате нагреваются стенки цилиндра. Во время всасывания температура стенок
оказывается выше температуры влажного пара, и теплота отдается от стенок
к пару. Эго вызывает кипение частиц жидкости, содержащейся во влажном
паре, а, следовательно, увеличение удельного объема пара и уменьшение мас­
сы пара, всасываемого в цилиндр компрессором, что приводит к снижению
холодопроизводительности цикла. Дополнительного парообразования не про­
исходит при всасывании сухого пара, так как он не содержит частиц жидкости.
Тепловой поток от стенок вызывает только перегрев сухого пара. Поэтому
холодопроизводительность установки при сухом ходе выше, чем при влажном
(практически на 10... 15%). Почти во всех холодильных машинах компрессоры
работают при сухом ходе.
В-третьих, после конденсации паров холодильного агента этот конденсат
обычно переохлаждается на {5 ... 10) К по сравнению с температурой конден­
сации, что несколько увеличивает холодопроизводительность.
На рис.4-5а изображена схема машины, где К М — компрессор, К — кон­
денсатор, в котором происходит охлаждение сжатых паров и их конденсация.
Поскольку теплота конденсации значительно превосходит теплоту' охлаждения,
то суммарный процесс называется конденсацией, а аппарат — конденсато­
ром. Конденсатор обычно охлаждается водой или воздухом, поступающими из
окружающей среды (ос). Переохлаждение конденсата чаще всего организуется
в дополнительном теплообменнике (переохладителе) АТ, туда подается более
холодная вода (чем на конденсатор), например, из артезианской скважины.
Понижение температуры хладагента до заданного значения происходит при
понижении его давления за счет дросселирования в регулирующем дроссельвентиле ДР, при этом жидкий хладагент превращается во влажный пар. Затем
хладагент (ха) переходит в парообразное состояние в испарителе И за счет
теплоты, отбираемой от холодного источника — хладоносителя (хн) который
сам при этом охлаждается. Парообразный хладагент обычно перегревается на
(5 ... 10) К и отсасывается компрессором КМ .
Циклы: процессы и установки
в
❖
165
г
РисПэрокомпрессионная холодильная машина: а - схема, б - цикл в Т - s координаТа*’ в “ Чикл в h - s координатах, г - цикл в р - h координатах
166
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
На рисунках 4-5б -4 -5 г — изображен цикл действительной холодильной
машины в различных системах координат. 1—2 — сжатие хладагента в ком­
прессоре КМ от рпн до рпв, реально происходящее по политропе с увеличением
энтропии: s2 > si. Удельная работа, затрачиваемая в компрессоре 1т = 1пв =
= (hi - /іг). Сжатие происходит в области перегретого пара хладагента. 2—
3 — охлаждение перегретого пара хладагента до состояния насыщения, 3—
4 — его конденсация. Эти процессы происходят при постоянном давлении
рпв, температура конденсации ТПВ. В процессе 2—3—4 выделяется удельная
теплота длв = ht - /г2, которая обычно отводится в окружающую среду. 4—
5 — переохлаждение конденсата при том же давлении рпв. Отводимая удельная
теплота дохл = h 5 - Һ4. 5 —6 — процесс дросселирования, происходящий по
линии постоянной энтальпии /і6 = Лз> но при увеличении энтропии s6 >
> s5 (в отличие от идеального адиабатного расширения). Именно этот процесс
снижает температуру хладагента до заданного значения Гпн при понижении
давления отр„в яо рпн. 6 —7 — испарение хладагента при постоянном давлении
Рлн и постоянной температуре Гл„. Теплота перегрева паров хладагента, процесс
7—1, включается в общий расчет: q „„ = h , - h 6.
Температура Тхн хладоносителя, отдающего теплоту дпн, должна быть ниже
Гпн- Рекомендуемая средняя разность температур в испарителе
Д Тц ~ Тпи —Гун = 5 К
Все характеристики действительной холодильной машины рассчитываются по
формулам, приведенным в разделе 4.5.
Холодильный коэффициент действительного цикла
_ 9пн _ hi —he
£ ~ lu ~ Һ і-һ о '
Расход холодильного агента в цикле т и , кг/с, находится по заданной холодопроизводительности Q0:
По значению величины Q0 рассчитывается испаритель. По значению величины
Q hb = Япвт ха
(4.14)
рассчитывается конденсатор.
При наличии переохладителя
Qoxn = ^ /o v i\.l
Удельную работу цикла можно рассчитать по диаграмме h - s при si = const как
работу идеального адиабатного процесса (см. формулу 1.25):
lu = ^пв — 1км — Iад — hi — Лгад.
Затем учесть отличие реального процесса общим коэффициентом полезного
действия компрессора г/км и рассчитать мощность на валу приводного двигателя
компрессора (см. раздел 3.1.14).
Циклы: процессы п установки
О
167
Рис. 4-6. Холодильный цикл (к примеру 4.1 ).
Пример 4.1. Определить мощность, расходуемую одноступенчатом вертикаль­
ным аммиачным компрессором простого действия, работающего на простом ходу;
расходы тепюты в конденсаторе и переохладителе; а также холодильный коэф­
фициент холодильной машины. Требуемая холодопроизводительность 300кВт при
температуре испарения -1 5 ° С . Температура конденсации +31 °С, температура
переохлаждения +25 °С. Провести эксергетический ohojIU3 установки.
Решение. Значения удельных энтальпий аммиака и его давления в различ­
ных точках цикла находятся по Г - s диаграмме (см. прил. 7 и рис. 4-6).
Точка 1 находится на пересечении изотермы <Пн = —15'*С с правой вет­
вью кривой насыщения х = 1; энтальпия Һ, = 1663к Д ж /к г; давление рПН =
= 0,25МПа. Проиесс конденсации происходит при температуре t пв = 31 °С,
чему соответствует давление рпв = 1 .2 М П а, следовательно, процесс сжатия
аммиака (процесс 1—2) происходит до давления рпв = 1.2 М Па. При идеаль­
ном адиабатном процессе сжатия s = const, т.е. st = я2 = 9 .3 к Д ж /(к г К ),
энтальпия h2 = 1903 к Д ж /к г . температура N = 100“ С. Проиесс переохлаждения
конденсата аммиака (процесс 4—5) происходит до температуры tOXJ1 = + 2 5 °С
при постоянном давлении рПВ, /15 = 545 к Д ж /к г, .45 = 4.63 к Д ж /(к г К). Процесс
Дросселирования (процесс 5—6) происходит по линии Л* = he = const =
= 545кД ж /кг до температуры ( Пн = —15°С ,
se — 4,87к Д ж Д к г-К ). Удельная
холодопроизводительность
9п н = Л і — Л б .
q„„ = 1663 - 545 = 1118 к Д ж /кг.
Расход циркулирующего холодильного агента
Оо
168
О
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
где Оо = ЗООкВт — заданная холодопроизводительность установки.
т га =
= 0,268 к г/с .
Удельная работа идеального адиабатного сжатия в компрессоре
(= -(* 2 -4 ,
I = -(1 9 0 3 - 1663) = -2 4 0 к Д ж /к г .
М ощ н ость привода компрессора рассчитывается по формуле (3.21). учитывая,
что р \' = т а , приним ая коэф ф ициент запаса у? = 1,1 и К П Д компрессора
=
= 0,67, тогда
„
„
1,1 • 0,268 • (-2 4 0 )
N = Nw = - --------jjjp ;---------- = -10о,6 кВт.
Холодильный коэф ф ициент
Qo
е= * '
-105,6
= -2,84.
Удельная тепловая нагрузка конденсатора и переохладителя
9пв = *5 — *2
<j„ b = 545 - 1903 = -1358 к Д ж /к г.
О бщ ий расход теплоты, отдаваемой в конденсаторе и переохладителе
QПВ — WliaÇnB,
Опв = 0,268 • (-13 58) = -3 6 4 кВт.
Далее проведен эксергетический анализ установки.
Работа усгановки обеспечивается подводом электроэнергии к компрессору,
удельное количество подводимой эксергии
N
—105,6
-,
евх = ----- = -7Г55Г = -394,0 к Д ж /к г.
т м
0,268
В нутренние потери эксер гии в компрессоре
^КМ “ Сах — (,
d** = - 3 9 4 , 0 - (-24 0,0 ) = -154,0 к Д ж /к г.
Изменение эксергии аммиака в конденсаторе и переохладителе
Дспв = es —ег = Л5 — h-2 — T<x(s5 — S2) — Чк ~ îo c (s 5 — s 2),
А епв = -1358 - 293(4,63 - 9,3) = -6 8 .8 к Д ж /к г .
Это изменение эксергии происходит по двум причинам: часть эксергии от­
водится (теряется) с охлаждающей водой, температура которой Г в обы чно на
5 К ниже температуры конденсации Г пв, т.е.
Тв — (2ГЗ + 31) - 5 = 299
Циклы: процессы и установки
❖
169
d° - Чт( ‘ ~ х ) ’
dB = -1358 ^1 - — j = -27.25 кД ж /к г;
другая часть теряется из-за необратимости процесса теплообмена
dm = Д ғ пв - d„,
dm = -6 8 .8 - (-27,25) = -41.55 к Д ж /кг.
Потери эксергии из-за необратимости при дросселировании, когда Іі6 = Һ5
dap = eg - es = —Гос(*в — «s)>
сідр = -293(4,87 - 4.63) = -70.32 кД ж /кг.
Изменение эксергии аммиака в испарителе
Депи — ei —eg — li\
hty — Toc(s]
Se) — çi,m ~ ^ « (в і
Sb).
ДеПн = 1118 - 293(9,3 - 4,87) = -100,88 кД ж /к г.
Это изменение эксергии складывается из двух составляющих: часть эксерши с„„ отводится с хладоносителем, например, имеющим температуру Тхн =
- Тт + 5, это полезный расход эксергии
Tw = (273 - 15) + 5 = 263 К.
лругая часть эксегии теряется из-за необратимости процесса теплообмена в ис­
парителе
rftlH — Д рпн — ^ХН'
dm = -100.88 - (-127.53) = 26.65 кД ж /к г,
в данном процессе необратимость увеличивает эксергию системы, так как
температура из-за нее «удаляется1* от температуры окружающей среды.
Эксергетический К П Д холодильной установки
Потери эксергии (в процентах от входящей эксергии) составляют.
8 компрессоре
с водой, охлаждающей конденсатор.
170
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
от необратимости в конденсаторе
<*п== [ 4 ^ 1
L-394,0
Ю 0 = 1 0 ,6 % ;
от необратимости при дросселировании
^ =^
1
100= І7-8
в испарителе
d™ = i l 5 ) i ioo=- 6’8
Таким образом, основные потери эксергии имею т место в компрессоре,
которы й следует совершенствовать.
Небольшие потери эксер гии при теплопередаче в конденсаторе обусловле­
ны небольшой разницей температур (5 К ).
С охлаждающей водой потери эксергии м ож но свести к нулю, если ее
температура будет равна температуре окруж аю щ ей среды, или же использовать
эту теплоту, например, для работы теплового насоса (см. раздел 4.10 ).
П риведенный анализ демонстрирует преимущества эксергетического К П Д
по сравнению с холодильным коэф фициентом.
Эксергетический К П Д м ожно рассчитать иначе:
Ve = £Те,
где те — эксергетическая температурная ф ункция,
Г„ = 1 - ——,
Ген
293
т. = 1 - — = 0,114,
е
263
’
г)е = -2 ,8 4 • (0,114) = 0,324 = 32,4%.
Э ксергетическая холодопроизводительность
Qe = QoTe,
Qe = 300 • 0,324 = 97,2 кВт.
4 .6 .3 . Д в у х - и м н о г о с т у п е н ч а т ы е х о л о д и л ь н ы е м а ш и н ы
Пароком прессионная холодильная машина, работающая по схеме, изоб­
раж енной на рис. 4-5, является одноступенчатой. О бы чно такая машина ис­
пользуется для осуществления холодильных циклов при сравнительно неболь­
ш ой разности температур испарения (ки п е н и я ) и конденсации ха. П р а кти ­
чески одноступенчатые маш ины применяю тся при соотнош ении давлений
Рпв/Рпн<9.
Когда необходима большая разница температур (пн и tnB и, следовательно,
большее значение рт /р пн, используются двух или многоступенчатые маш ины.
Двухступечатые м аш ины используются для достиж ения
= (-6 0 ... - 8 0 ) ° С ,
Циклы: процессы и установки
❖
171
когда Рпв/Рпи — 7... 100. Трехступенчатые — для fn„ < - 8 0 °С, когда рт /рпн >
>180... 100).
В таких
машинах
хладагент
сжимается
от давления
испарения
до
давления конденсации не сразу, а последовательно в двух (или более)
ступенях с промежуточным охлаждением частично сжатых паров. О тно­
шение давления
нагнетания рПВ1 к
давлению
всасывания рП1)1 хладаген-
и в каждой ступени меньше, чем Рпв/Рпн для данной машины в це­
лом. Уменьшается также и температурный перепад для одной ступени.
Уменьшение перепада давлений в каждой ступени позволяет применять
облегченные кон стр укции деталей машин. За счет охлаждения паров
ыадагента в промежуточном сосуде (после сжатия его в компрессоре
низкого лааоения) уменьшается объем паров, следовательно, уменьша­
ется работа по сж атию паров во второй ступени. При этом умень­
шается общий расход энергии. Для двухступенчатых машин в проме­
жуточном сосуде рекомендуется поддерживать давление рпр, примерно
равное Рпр = (рпв/рпн)0'5. Д вух- и многоступенчатые холодильные ма­
шины широко применяются в биотехнологиях, например при субли­
мационной сушке сывороток, бактериальных препаратов, эндокринного
сырья.
В двухступенчатой холодильной машине (рис.4-7о) пары холодильного
агента (точка /) при давлении рШ1 засасываются из испарителя И. сжима­
ются компрессором н и зко го давления К М 1 до промежуточного давления рпр
(точка 2) и после теплообменника А Т (точка 3 ' (поступают в промежуточ­
ный сосуд СП. Здесь они барбатируют через слой кипящ его холодильного
агента, охлаждаются до температуры насыщения Тпр, отделяются от жидкости
и в насыщенном состоянии (точка J) засасываются в компрессор высокого
давления КМ 2. В этом компрессоре пары сжимаются до давления рпв (точ­
ка 4) и направляются в конденсатор К. Ж идкость (точка 6), образовавшаяся
8 результате конденсации паров проходит через дроссель-вентиль Д Р І, при
этом понижаются ее давление до рпр и температура до Гпр. Образовавшийся
мажный пар (точка 7) направляется в промежуточный сосуд СГ1. В этом сосуде
перелается теплота перегретого пара 3' на испарения влаги, содержащейся во
Шжном паре 7. Насыщ енный пар 3 поступает в компрессор К М 2 , а жидкость
проходит через дроссельный вентиль ДР2, где ее давление и температура
понижаются до рпн и Г„н (точка 9). Влажный пар 9 поступает в испаритель
И, где отнимает теплоту Q» от охлаждаемой среды (хладоносителя) на свое
испарение при температуре Тт .
На диаграмме Т - s (р и с .4-7 6) дано изображение цикла. Пары холодильного
агента адиабатно сжимаются в компрессоре низкого давления по линии 1
*- (» реальном процессе .ц < я2), несколько охлаждаются в теплообменнике
АТ (изобара 2 -3 '), затем в промежуточном сосуде СП полностью теряют теп­
ло перегрева, охлаждаясь до температуры насыщения (изобара З '- З ) . Далее
172
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Рпр
6
Рис. 4-7. Схема а и цикл б двухступенчатой холодильной машины
❖
Глава 4
Циклы: процессы и установки
❖
173
насыщенные пары сжимаются в компрессоре высокого давления (по линии
3—4) до перегретого состояния. Последующее охлаждение перегретых паров
8 конденсаторе К изображается изобарой 4 - 5 , конденсация паров в том же
аппарате — изобарой (и одновременно изотермой) 5 —6. Последующий процесс
дросселирования в вентиле ДР1 характеризуется июэнталытой 6 - 7 . Получае­
мый после расширения влажный пар (точка 7) разделяется в промежуточном
сосуде СП на паровую (точка 3) и ж идкую (точка 8) фазы. Ж идкий холодиль­
ный агент дросселируется в вентиле ДР2 до давления р,т (по изоэнтальпе 8—
9) и испаряется в испарителе И (изотерма 9-1). Теплоту на испарение отдает
мадоноситель хн. В конденсаторе К и в теплообменнике А Т теплота отводится
водой или воздухом (ос), им ею щ их температуру окружающей среды.
Расчет энергетических балансов двухступенчатой установки ведется так же,
как и одноступенчатой; связь параметров верхней и нижней ступеней устанав­
ливается через баланс пром ежуточного сосуда СП .
Холодильный коэф фициент, га к же ка к удельный расход электроэнергии
на выработку единицы холода, в этом случае не вычисляются, так как они не
имеют физического смысла.
Эксергетический К П Д всей установки может быть вычислен, так как эксер­
гии можно складывать, хотя тепловые потоки имеют различные температуры:
_
V‘
Q o fà ) + Qo(r")
N 1 + A '"
ne (r£) и ( r") — эксергетические температурные ф ункции, расчитанные для
температур Гпр и Гпн; Q’0 и QH — холодопроизводительность верхней и нижней
ступеней; N и N " — электрические мощности электродвигателей компрессо­
1
ров верхней и ниж ней ступеней.
4.6.4. К а с к а д н ы е п а р о к о м п р е с с и о н н ы е х о л о д и л ь н ы е м а ш и н ы
Для получения низких температур ( - 5 0 . . . - 90°С) наряду с многоступен­
чатыми машинами применяю т так называемые каскадные парокомпрессионные
Шодіиьные машины В такой машине осуществляется несколько холодильных
Циклов и охлаждение конденсирующ егося холодильного агента в одном цикле
осуществляется кипящим холодильным агентом в другом цикле. Т.е. циклы
связаны между собой с помощью теплообменного аппарата. Такой аппарат для
одного каскада выполняет роль конденсатора, а для другого — роль испарителя.
Схема каскадной машины и происходящие в ней процессы изображены на
РИС. 4-8.
Компрессор К М 1 отсасывает из испарителя И пары хладагента x a l. сж и­
нает их адиабатно (проиесс 1 -2 ) от давления испарения pn„ i до давления
конденсации рП81 и нагнетает в теплообменный аппарат АТ, играющ ий роль
конденсатора для ниж него каскада. Здесь пары хладагента xal охлаждаются
174
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
s
6
Рис. 4-8. Схема а и цикл б каскадной холодильной машины.
О
Глава 4
Циклы: процессы и установки
j
!
I
О
175
и конденсируются (процесс 2 3). Отводимая от хладагента xal теплота воспри­
нимается кипящим и испаряющимся в аппарате АТ хладагентом ха2 верхнего
каскада ( процесс 8 5), для которого этот аппарат является испарителем. Жид­
кий хладагент ха 1 направляется изаппаратаАТ вдроссельный вентиль Д Р І, где
он дросселируется (процесс 3 ~ 4 ) от давления конденсации prlflI до давления
испарения рпні- В испарителе И жидкий хладагент xal кипит и испаряется
при постоянных давлениях />ПН: и температуре Гпнi за счет притока теплоты от
охлаждаемого хладоносителя хн.
Верхний каскад работает по такому же принципу, но осуществляемый в нем
цикл происходит в пределах более высоких температур. В связи с тем, что про­
цесс кипения и испарения хладоносителя ха2 в теплообменнике АТ протекает
за счет теплоты, отводимой от хладагента xal в том же теплообменнике АТ,
но являющимся конденсатором для нижнего каскада, температуру кипения
(испарения) Гпн2 в верхнем каскаде поддерживают на несколько кельвинов
ниже температуры конденсации Гпоі в нижнем цикле каскада, т.е. Гпн2 <
< ГПВ1 . В конденсаторе К верхнего каскада теплота от хладагента ха2 отводится
как обычно водой или воздухом в окружающую среду ос. Компрессор КМ2
и регулирующий дроссель- вентиль ДР2 служат для повышения и понижения
давления хладагента ха2 в верхнем каскаде.
Наиболее распространены двухкаскадные холодильные машины, нижний
каскад которых представляет собой одноступенчатую машину. В нижнем кас­
каде используют хладагенты с низкими температурами замерзания и не требу­
ющие больших разряжений для обеспечения низких температур кипения (на­
пример, фреон-13). В верхнем каскаде используются хладагенты, применяемые
водноступенчатых машинах (например, фреон-22)
4.6.5. Х л а д а г е н т ы
I
Вещество, применяемое в качестве рабочего тела при осуществлении хололильного иикла, называется холоди.хъным агентом (хладагентом, ха).
Хладагенты должны удовлетворять определенным требованиям: безвред­
ность для здоровья человека; достаточно низкая температура ки пени я (испа­
рения) при нормальном атмосферном давлении (во избежание подсоса возду­
ха в систему при работе холодильной м аш ины): конденсация охлаждающей
водой или воздухом при температурах близких к температуре окружающей
среды при невысоких давлениях (что не требует большой прочности м аш и­
!
!
ны, увеличения ее массы и стоим ости): низкая температура замерзания (во
избежание образования твердой фазы хладагента в испарителе при заданной
темлературе ки пен и я); максимально высокая критическая температура (для
Уменьшения количества пара при дросселировании в дроссель-вентиле), мак­
симально высокая теплота парообразования, которая обеспечивает высокую
массовую и объемную холодопроизводительность (чтобы уменьшить требуе­
176
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛО ТЕХ НИ КА
❖
Глава 4
мое количество хладагента, а, следовательно, размеры компрессора и друго­
го оборудования); минимальный удельный объем при рабочих температурах
и давлениях (во избежание увеличения диаметров трубопроводов и проходных
сечений клапанов). Кроме того, хладагенты должны быть невзрывоопасными
и невоспламеняющимися в смеси с воздухом, нейтральными по отношению
к металлам (отсутствие коррозии или окисления даже при наличии влаги),
хорошо растворять воду (иначе при отрицательных температурах попавшая
в систему влага может замерзнуть, образовать ледяные пробки и нарушить
циркуляцию) и иметь невысокую стоимость.
Всем предъявленым требованиям не удовлетворяет ни один из известных
в настоящее время хладагентов, больше других этим требованиям удовлетворя­
ет аммиак и фреоны (хладоны).
Аммиак вызывает раздражение слизистой оболочки глаз и верхних ды­
хательных путей. Допустимая его концентрация в воздухе производственных
помещений не более 0.2мг/л. В связи с этим необходимо следить за отсутстви­
ем утечки через сальники, фланцы и другие соединения. На черные металлы
аммиак не действует; на цинк, медь и ее сплавы (за исключением фосфористой
бронзы) в присутствии влаги оказывает разрушающее влияние. Аммиак хорошо
растворим в воде и слабо в масле. Проникновение влаги в систему вызывает
появление гидроксида аммония, создающего осадок и загрязняющего компрерсор. Аммиак пожаро- и взрывоопасен. Если в воздухе содержится свыше 11%
аммиака, возможно возгорание; при содержании (1 6... 26,8)% возможен взрыв;
наиболее сильный взрыв дает смесь воздуха с содержанием 22% аммиака. В свя­
зи с этим аммиачные холодильные установки требуют строгого соблюдения
правил безопасности труда.
Некоторые физические свойства аммиака и других хладагентов приведены
в таблице 4-1.
Фреоны (хладоны) — фтористые и хлористые производные предельных (на­
сыщенных) углеводородов С„ Н2п+2 , в частности метана и этана, полученные
замещением атомов водорода атомами фтора, хлора, брома (C nH j ҒуСЬВги).
Они чрезвычайно многочисленны, что позволяет получить широкий спектр их
свойств. Большое разнообразие и сложные названия фреонов вызвали необхо­
димость их буквенно-числового обозначения, построенного по установленному
порядку (см. табл.4-1). Наиболее широкое использование имеют фреон-12
(R-12) и фреон-22 (R-22). Фреоны не имеют запаха и в небольших количе­
ствах практически безвредны для человека. При больших утечках и при очень
больших концентрациях (более 30% по объему) фреоны вызывают удушье,
так как вытесняют кислород (фреон в 3,5 раза тяжелее воздуха). При сопри­
косновении с открытым пламенем происходит их разложение с образовани­
ем, в частности, в небольших количествах ядовитого газа фосгена. Поэтому
в помещениях с фреоновыми установками запрещено работать с открытым
пламенем и курить. В пожарном отношении фреоны (R-12, R-13, R-22) не
Циклы: процессы и установки
❖
177
Таблица 4-1. Физические свойства холодильных агентов
i Хладагенты
Обоз­
Хими­
J
наче­
ние
ческая
формула
НаО
+ 100
-
374.15
22,14
0
R-717
NH3
-33.4
1370
132.4
11.30
-77,7
COj
-78.5
571.5
31.0
7.36
-56,6
г
Вода
jАммиак
'Диоксид
jуглерода
Темпе­ Теплота,
Критические
ратура
кДж,
темпера­ давле­
насы­
паро­
тура,
ние,
щения, образо­
°С
МПа
“ С, при
вания
0.1 МПа при 0,1
МПа
Темпе­
ратура
затвер­
дева­
ния, °С
.Хлористый
jметил
R—40
СНзСІ
-23,7
-
143.1
6.68
-97,6
23,7
183.5
198.0
4,37
-111.0
ІМонофтортрихлорметан
R -I1
СҒСІЗ
ІДифіор,дихлорметан
R-12
СҒ2СІ2
-29,8
167,2
112,04
4.0
-155,0
іТрифтормоно!хлорметан
R -I3
СҒ3С1
-81,5
149.2
28,78
3,68
-180,0
ДифтормоноІхлорметан
R-22
-40.8
234
96,13
4,93
-160,0
СНҒгСІ
Дихлорметан
R-30
СН 2СІа
39,2
-
235,4
-
-96,7
Трифтортрихлорэтан
R -U 3
СзҒзСЬ
47,7
145.5
214.1
3.42
-36,6
Дифтормоноллорэтан
R -I4 2 C îHiFoC I
-9,2
223.6
136.45
3.92
-130,8
Эган
R -I7 0
С3Н6
-8 8 6
490.2
32,1
4,93
-183,2
Пропан_
R-290
С3Н8
-42.2
427,4
9С,8
4,26
-187,1
опасны. На металлы при отсутствии влаги фреоиы не действуют, но при на­
личии влаги вызывают коррозию. Поэтому во избежании образования ледяных
пробок и возникновения коррозии перед заполнением фреоном холодильные
установки тщательно просушивают. Фреоны очень текучи (больше, чем вовдух
и аммиак), а поскольку они не имеют запаха, то утечку трудно заметить. По
этой причине необходимо обеспечивать полную герметизацию всех соедине­
ний. Поскольку фреоны растворяют различные неметаллические включения,
во фреоновых установках используют специальную фреоностойкую резину.
Фреон-12 обладает хорошей взаиморастворимостью с маслом, что имеет боль­
шое практическое значение для смазки холодильных компрессоров. Фреон зна­
чительно тяжелее аммиака, поэтому для снижения величины гидравлических
сопротивлений диаметры трубопроводов делают примерно н два раза больше,
чем у аммиачных машин такой же холодопроизводигельности. Объемная хо­
лодопроизводительность фреона-12 меньше, чем у аммиака. В связи с этим
178
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
размеры фреонового компрессора примерно в 1,3 раза больше, чем аммиачного
той же производительности. Температуры кипения фреонов достаточно низкие
при легкодостижимых давлениях (см. табл. 4-1)
В качестве холодильных агентов применяются также азеотропные смеси
двух компонентов, так как температура их кипения ниже температуры кипения
компонентов. При добавлении (10...15)% (по массе) фреона-12 к фреону-22
получают смесь, обладающую в основном свойствами фреона-22, но с повы­
шенной способностью растворять смазочное масло.
Перспективной для поршневых низкотемпературных машин является смесь
содержащая 48,8% фреона-22 и 51,2% фреона-115, называемая фреон-502. Она
невзрывоопасна, безвредна для человека, имеет хорошие термодинамические
свойства. Температура кипения этой смеси -4 5 .6 °С, критическая температура
90,0 °С.
Хранение и транспортировку хладагентов осуществляют в стальных балло­
нах емкостью ( 2 5 ...5 5 ) л. Хранить баллоны следует в изолированном, лучше
подвальном, помещении на достаточном удалении от отопительных приборов.
В последние годы разрабатываются озонобезопасные фреоны.
4 .6 .6 .
Х ладоносители
Вещество, используемое для отвода теплоты от охлаждаемых объектов и пе­
редачи его холодильному агенту (например, для его испарения в парокомпрес­
сионных холодильных машинах), называется ыадоноситыем (хн).
Или иначе: хн — это вещество, которое применяется для транспортировки
холода от холодильной установки к потребителю.
Хладоносители подразделяются на жидкие и твердые. Твердые хладоноси­
тели (лед воды и диоксида углерода) практически не применяются в биотех­
нологиях. К жидким относятся водные растворы солей — рассолы и одноком­
понентные вещества, замерзающие при низких температурах (этиленгликоль,
кремнийорганическая жидкость, фреоны R-30 и R-11).
Основные требования, предъявляемые к хладоносителям: низкая темпера­
тура замерзания, высокая теплоемкость, малая вязкость, химическая стойкость,
негорючесть, взрывобезопасность, доступность, дешевизна.
В практике эксплуатации холодильных установок, когда нет необходимости
в температурах ниже 0°С, в качестве хладоносителя используется вода (на­
пример, в установках для кондиционирования воздуха, в некоторых процессах
кристаллизации, при хранении некоторых веществ).
При отрицательных температурах в качестве хладоносителей используются
водные растворы солей: хлориды натрия, магния, кальция, концентрация кото­
рых должна соответствовать температурному режиму работы испарителя. Чем
выше концентрация рассола, тем ниже его температура замерзания. Однако
Ц пк\ы: процессы и установки
О-
179
ИЯ каждого рассола существует самая низкая температура замерзания — криоыдратная точка , при которой он замерзает в виде однородной смеси обоих
компонентов; при дальнейшем увеличении концентрации рассола температу­
ра замерзания увеличивается. Концентрация рассола обычно определяется по
плотности с помощью ареометра. Она подбирается такой, чтобы температура
замерзания рассола была на ( 8 . . . 1 0 ) К ниже температуры кипения хладагента
в испарителе.
Таблица 4-2. Основные физические свойства рассолов
Плотность, кг/м 1.
при 15 °С
Содержание соли
в растворе. %
Температура
замерзания, °С
Теплоемкость,
кД ж/(кг-К)
Раствор хлористого кальция СаСЬ
1000
0,1
0,0
1100
11,5
-7,1
3,49
1160
17,8
-14,2
3.75
4,21
1200
21,9
-21,2
2,98
1280
29,4
-50,1
2,73
1286
29,9
-55,0
(криогидратная
точка)
2,73
1300
31,2
-41,6
2,65
1350
35.6
-10.6
-
Раствор хлористого натрия NaCl
I
j
L
1000
4,2
1100
0,1
13,6
0,1
-9,8
3,57
1120
16.2
-12.2
3,52
1140
18,8
-15,1
3,44
1160
21,2
-18,2
3.36
1175
23.1
-21.2
(криогидратная
точка)
2,94
1180
23.7
-17,2
3.32
1200
26,1
-1,7
3,23
Наиболее ш ироко в холодильной технике используются водные растворы
CaClj и NaCI (табл. 4-2). Эти рассолы, особенно NaCl, при взаимодействии
с кислородом воздуха вызывают сильную коррозию металлов. Для уменьшения
корродирующего действия в рассолы добавляют силикат натрия, хромовую
“ ЛЬ, фосфорные ки сл оты ; системы делают замкнутыми, чтобы рассол не со­
прикасался с воздухом. Для уменьшения потерь на трение в рассолы иногда
Добавляют п ов е р х н о с тн о -а к ти в н ы е вещества.
В качестве хладоносителей используются также этиленгликоль. пропилен
гликоль и фреон R—11 и R—30. Этиленгликоль является бесцветной и необла-
180
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Рис. 4-9. Рассольная система охлаждения с открытым испарителем.
❖
Глава 4
Рис. 4-10. Рассольная система охлаждения
с закрытым испарителем.
дающей запахом жидкостью. В зависимости от концентрации этиленгликоля
в воде можно подобрать хладоноситель с температурой замерзания от 0°С
(вода) до -6 7,2 °С при концентрации этиленгликоля 70% по объему. Для устра­
нения коррозии в раствор добавляют триэтаноламинофосфат.
Фреон R -30 является хорошим хладоносителем благодаря низкой темпера­
туре замерзания и малой вязкости. Его используют до -40 °С. При температурах
( - 9 0 . .. - 100) °С применяют фреон R—11.
4 .6 .7 .
С и с те м ы р а с с о л ь н о го о хл а ж д е н и я
Системы рассольного охлаждения аппаратов широко используются в раз­
личных производствах. Такие системы бывают с открытым и закрытым испа­
рителем.
В системах с открытым испарителем (рис. 4-9) хладоноситель (рассол) охла­
ждается в открытой емкости Б испарителем И, в который подается хладагент ха.
Холодный рассол хн центробежным насосом Н направляется по магистрально­
му трубопроводу ТБ1 в охлаждаемые аппараты A l , А2 и т.д., нагревается в них,
Ц нк\ы: процессы и установки
О
J81
и по слюному магистральному трубопроводу ГБ2 возвращается в емкостьиспаритель для охлаждения и дальнейшей циркуляции.
В системе с закрытым испарителем (р и с .4-10) в отличие от предыдущего
не два, а три магистральных трубопровода: ТБ1 — поступающ ий, ТБ2 - обрат­
ный. ТБЗ — ком пенсационны й. Рассол подается циркуляционным насосом
Н в кожухотрубчатый испаритель И закрытого типа, где охлаждается за счет
кипения и испарения хладагента ха, и далее по трубопроводу ТБ1 направляется
в охлаждаемые аппараты A I , А2 и т.д. В верхней части обратного трубопровода
ТБ2 устанавливается расш ирительный сосуд Б, предназначенный для ком пен­
сации изменения объемов рассола. Трек трубная система позволяет обеспечить
равномерное питание рассолом охлаждаемых аппаратов; потребляет меньше
электроэнергии на работу насоса (не н уж н о подавать жидкость к верхней точке
системы), в ней меньше коррозия оборудования и декониентрация рассола, она
лучше 8 санитарно-гигиеническом отнош ении.
Все трубопроводы и аппараты систем охлаждения должны быть тепло­
изолированы во избежание потерь холода и выпадения влаги с образованием
снеговой шубы. т.е. слоя замерзшей влаги на охлаждаемой поверхности. Расчет
толщины изоляции заключается в определении коэффициента теплопередачи
через внешние ограждения. Предварительно выбирают материал изоляции.
Наиболее экономичная толщ ина изоляции определяется на основании стои­
мости самой изоляции, срока ее службы, стоимости холода.
Оттаивание, т.е. удаление снеговой шубы, в рассольных системах осуще­
ствляется с помощью горячего рассола, который перекачивается насосом из
специального подогревателя через магистраль и систему оборудования, подле­
жащего оттаиванию.
!
4.6.8. О б о р у д о в а н и е п а р о к о м п р е с с и о н н ы х у с т а н о в о к
Основным оборудованием ком прессионны х установок считается хо.кніи.іь"ыі компрессор. который служит для сжатия и циркуляции холодильного агента.
Применяются поршневые, ротационные, винтовые и турбокомпрессоры
(осевые и центробежные). П р и н ц и п действия и разнообразие конструкции этих
типов компрессоров были рассмотрены в разделе 3.1 Однако компрессоры,
применяемые в холодильных установках, характеризуются рядом особенностей.
Первая связана с недопустимостью утечек холодильного агента и подсосов
в компрессор. В результате получили распространение герметичные бессальниковые компрессоры. Вторая особенность — это повышенные требования
по регулированию расхода, давлению всасывания и нагнетания, температуры.
Третья - исключение попадания смазки в сжимаемый холодильный агент.
Поэтому выпускают специальные холодильные компрессорные агрегаты —
компрессор с относящимся к нему оборудованием.
182
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава 4
До последнего времени наиболее распространенными были поршневые
компрессоры. Они подразделяются по сжимаемым в них холодильным агентам
на аммиачные, фреоновые и универсальные; по величине холодопроизводительности — на малые (до 14 кВт), средние (1 4 ... 105 кВт), крупные (свыше
105 кВт). Все поршневые компрессоры имеют систему охлаждения.
Ротационные компрессоры используются, как правило, в установках
с большой холодопроизводительностью и в качестве ступеней низкого давления
в агрегатах двухступенчатого сжатия. Благодаря отсутствию всасывающих
клапанов в ротационных компрессорах более низкие давления всасывания и,
следовательно, они могут работать при более низких температурах кипения
хладагента. Однако неплотности между поверхностью цилиндра и пластинами
и связанные с этим перетечки газа между полостями не позволяют достичь
высоких степеней сжатия, а, следовательно, и высоких давлений нагнетания,
соответствующих реальным температурам конденсации.
Винтовым компрессорам принадлежит большое будущее в холодильной
технике благодаря небольшим габаритам, возможности работать при высо­
кой частоте вращения, технической характеристике близкой к характеристике
поршневых компрессоров. Их возможно использовать в низкотемпературных
холодильных установках так как у них очень низкий предел давления вса­
сывания 5 ...2 к П а ). Наиболее целесообразно применять аммиачные винтовые
компрессоры с холодопроизводительностью (350... 1745) кВт при стандартных
условиях. При более низкой холодопроизводительности винтовые компрессо­
ры по массе и габаритным размерам становятся соизмеримыми с поршневыми
компрессорами, т.е. теряют свои преимущества из-за громоздкости маслосистемы. В винтовых компрессорах возможна плавная регулировка холодопроиз­
водительности с помощью золотникового устройства.
Для холодильных машин большой холодопроизводительности весьма ком­
пактными и экономичными устройствами для сжатия пара являются турбо­
компрессоры; осевые и центробежные. Осевые компрессоры применяются для
очень больших холодопроизводительностей. Центробежные выгодно исполь­
зовать при холодопроизводительности от 500 до нескольких тысяч киловатт.
Ограниченное использование их в биотехнологических производствах объяс­
няется малой мощностью большинства производств.
Теплообменное оборудование включает в себя конденсаторы, переохладители. испарители, промежуточные сосуды. В этих теплообменных аппаратах
теплообмен между рабочими средами реализуется при низких температурных
напорах А Т , значения которых в отдельных случаях не превосходят 1 К. Кроме
этого теплофизические характеристики рабочих сред при низких температурах
заметно изменяются в пределах одного и того же теплообменника. В наиболь­
шей степени это проявляется вблизи кривых насыщения и в околокритической области. Эти особенности сказываются не только на расчете, но и на
конструкции теплообменных аппаратов. Главными требованиями, предъявля-
•41 '
ла
ции
sUl
ж
ищ
й,
;м
;аи
щ
м.
мя
№
т
*
Цик.\ы; процессы и установки
<>
183
емыми при этом к теплообменнику, являются соблюдение заданного темне­
ратурного режима, высокие эффективность и экономичность, малая масса,
достаточная прочность, компактность, простота и технологичность конструк­
нии. Технико-экономические показатели одного и того же типа аппарата могут
быть существенно улучшены посредством оптимизации режимных параметров.
в частности выбором скоростей теплоносителей, при которых обеспечиваются
возможно более близкие друг к другу значения коэффициентов теплоотдачи
по обе стороны поверхности теплообмена. При вынужденном различии в значениях коэффициентов теплоотдачи используется оребрение разделительной
стенки со стороны, где коэффициент имеет меньшее значение. В случае низкой
теплоотдачи с обеих сторон поверхности в целях повышения эффективности
к компактности аппарата целесообразно применять двухстороннее оребэение.
В конденсаторах для конденсации холодильного агента осуществляется теп­
лообмен между перегретыми парами хладагента, поступившего из компрессора,
и охлаждающей средой (водой или воздухом), обычно имеющей температуру
окружающей среды. В процессе теплообмена от паров хладагента отводится вся
теплота, полученная им в испарителе, трубопроводах и компрессоре. Значение
и.
1Ш(
ш
давления нагнетания компрессора и конденсации паров хладагента является
функцией температуры конденсации, которая зависит от температуры воды
ми воздуха, подаваемых на конденсатор из окружающей среды. Давление
напзетания влияет на эконом ические показатели всей холодильной машины,
неим I
ли
ои1
Конденсаторы классифицируются по виду холодильного агента (аммиачные
и фреоновые); по виду охлаждающей среды (охлаждаемые водой или воздухом);
по конструктивному исполнению (элементные, кожухотрубные горизонтальные и вертикальные, оросительные и испарительные).
\рзі
Конструкции кожухотрубных конденсаторов для аммиака и фреонов разли­
чаются материалом и формой поверхности теплообмена. Во фреоновых кож ухотрубных конденсаторах из-за сравнзітельно низких коэффициентов теплоотлачи со стороны конденсирующегося хладагента применяют трубы из цветных
металлов, на наружной поверхности которых накатаны ребра. Конденсаторы
типа КТР (конденсатор трубчатый ребристый) выпускаются с номинальной
площадью наружной поверхности теплопередачи от 4 до 500 м- Для аммиачных
установок средней (3 0 ... 100 кВ т) и большой (свыше 100 кВт) холодопроизводительности выпускаются горизонтальные конденсаторы типа К Т Г с плошадью
внутренней поверхности охлаждения от 10 до 1250м_. В кожухотрубных ко н Мнсаторах пары хладагента конденсируются в межтрубком пространстве на
наружной поверхности труб. Эти конденсаторы обычно работают в комплексе
с ВДЮохлаждаюшими устройствами, например градирнями,
од*ще
,№
ит»-
В них змеевики с хладагентами располагаются внутри кожуха и орошаются
сверху водой, а в противоток движению воды с помошью вентилятора по­
лается воздух. При этом интенсивно испаряется вода и отводится теплота
чирбо1®
ояЬ"
ïiïï
ьясjjn.
з®
ф
к,»*
Испарительные конденсаторы все шире применяются в последнее время,
184
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
-0-
Глава 4
от хладагента. Использованная вода может быть снова подана для орошения
и не требует промежуточного охлаждения. Такие конденсаторы эффективно
применять в районах с сухим и жарким климатом, так как они потребляют
небольшое количество воды: на 1000 кДж теплоты требуется 0.4 к г воды, если
вся теплота будет отведена за счет испарительного эффекта. В летнее время
доля теплоты, отведенной за счет испарения воды, составляет до 80%.
Конденсаторы с воздушным охлаждением используются в основном
в небольших фреоновых установках (и в бытовых холодильниках). Они состоят
из змеевиков, внутри которых протекает хладагент, а их наружная поверхность
омывается воздухом.
В испарите.іях для испарения холодильного агента происходит теплооб­
мен между охлаждаемой средой (хладоносителем) и кипящим хладагентом.
В процессе теплообмена от охлаждаемой среды отводится теплота. Температура
среды понижается или поддерживается на определенном уровне, а хладагент
переходит из жидкого состояния в парообразное. Для того чтобы этот процесс
протекал в испарителях при постоянной температуре, в нем поддерживается
с помощью компрессора постоянное давление пара хладагента.
Испарители применяются для охлаждения как промежуточных хладоносителей, так и воздуха охлаждаемых помещений. Испарители можно клас­
сифицировать по виду хладагента (аммиачные и фреоновые); по агрегатному
состоянию охлаждаемой среды (для охлаждения газообразных веществ, жид­
костей и твердых тел); по конструктивному исполнению — кожухотрубные
и панельные для охлаждения жидкостей, а для охлаждения воздуха (воздухо­
охладители) — панельные, ребристо-, гладко- и листотрубные.
Для охлаждения жидких хладоносителей в производствах обычно исполь­
зуются кожухотрубные испарители. По конструкции они мало отличаются от
конденсаторов того же типа. На аммиачных установках используются гладкие
стальные трубы, на фреоновых — медные, ребристые со стороны фреона.
В аммиачном испарителе охлаждаемая жидкость циркулирует внутри труб под
напором, создаваемым насосом, а в пространстве между трубами кипит хлад­
агент. Пары хладагента отсасываются из кожуха сверху через пароосушитель
(отделитель жидкости). Достоинствами кожухотрубного испарителя является
простота конструкции и надежность в эксплуатации, возможность создавать
закрытую систему циркуляции хладоносителя (см. рис. 4-10), способствующую
уменьшению коррозии труб.
В испарителях с открытой циркуляцией (см. рис. 4-9) испарительные трубы
погружены в охлаждаемую жидкость, налитую в баки. Циркуляция охлаждае­
мой жидкости создается с помощью мешалки. Испарители с открытой цирку­
ляцией выполняются панельными.
Аммиачные кожухотрубные горизонтальные испарители (И Т Г) выпускают­
ся с номинальной величиной площади теплопередающей поверхности от 63 до
Циклы: процессы п Установки
❖
185
дам-'. Фреоновые (R -I2 ) трубчатые ребристые испарители (И ТР) — от 12 до
дам2. Панельные откры того типа (И П ) — от 60 до 320м’ .
Промежуточные сосуды предназначены для полного промежуточного охла­
ждения паров хладагента между ступенями компрессора. Они представляют
собой вертикальные цилиндры, в ниж ней части которых находится змеевик,
полностью погруженный в ж ид ки й хладагент. В змеевик подается жидкость из
конденсатора, где она переохлаждается благодаря кипению хладагента в межмеевиковом пространстве промежуточного сосуда, куда под уровень жидкости
подаются пары хладагента из компрессора ступени низкого давления. Эти пары
проходят через слой ж идко сти и охлаждаются.
Промышленность выпускает сосуды емкостью от 0,22 до 3,3 м3.
Промежуточные сосуды служат также для эффективного отделения масла
от хладагента и поэтому имеют в нижней части специальный трубопровод
с вентилем для слива масла.
В переомадите.ых происходит охлаждение холодильного агента после его
конденсации.
В аммиачных холодильных установках сосуды представляют собой чаше
всего теплообменник «труба в трубе», вода протекает по внутренним трубам,
а аммиак по наружным.
Переохладители конденсата во фреоновых холодильных установках одно­
временно являются перегревателями пара из испарителя. Они состоят из змее­
вика. расположенного внутри кожуха. По змеевику проходит ж идкий фреон из
конденсатора, по межтрубному пространству — пар из испарителя. В результате
перегревания пара ж и д ки й фреон переохлаждается.
Кроме рассмотренного о с н о в н о го оборудован ия холодильны е установки
имеют вспомогательное оборудование: отделители и с б о р н и к и м асла, отделители
воздуха и жидкости, фильтры, осуш ители ф р ео н а, реси веры , обеспечиваю щ ие
стабильность и безопасность работы установок.
Насосы в холодильных устан овках п ри м ен яю тся для ц и р ку л яц ии охла­
ждающей волы в оборотных си стем ах водосн абж ен и я, для пром еж уточного
хладоносителя, а так же для ж и д кого а м м и ака в н а со сн о -ц и р ку л яц и о н н ы х
системах В последнем случае п ри м ен яю тся сп ец и ал ьн ы е ам м и ачн ы е насосы .
Для перекачивания воды и р ассо л а п р и м ен яю тся центробеж ны е, осевы е, п ро­
пеллерные, поршневые и плунжерные насосы . Н аибольш ее п р и м ен ен и е наш ли
Центробежные насосы.
Регулирующие вентили (д россел ь-в ен ти л и ) служ ат для осущ ествления тер м о ­
динамического процесса д р о с с ел и р о в а н и я, бы ваю т ручного управления и а в то ­
матические. В любом случае о н и регулирую т зап олн ен ие и сп ари тельн ой с и сте­
мы хладагентом в зав и си м ости от величины перегрева всасы ваем ого в ко м ­
прессор пара. При увел еч ени и п ерегрева и з-за н едостаточного п оступления
хладагента в испаритель п роходн ое сечен и е вентиля увеличивается и. наоборот.
пРи избытке агента и п о н и ж ен и и п ерегрева о н о ум еньш ается.
186
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
Автоматизация холодильных установок поддерживает температуры хлад­
агентов в требуемых пределах при изменениях внешних воздействий, питает
сосуды и испарители хладагентом, поддерживает давление конденсации. При­
менение приборов автоматической зашиты позволяет предупредить аварийные
режимы.
4 .6 .9 .
П ути п о в ы ш е н и я э ко н о м и ч н о с ти п а р о ко м п р е с с и о н н ы х
хо л о д и л ь ны х м аш ин
Экономичность парокомпрессионных машин зависит от затрат энергии на
осуществление цикла. При этом следует учитывать температуру ^ПН> при кото­
рой в цикле отбирается теплота от охлаждаемого объекта и стоимость самой
машины, которая зависит от ее конструкции и размеров.
Количество теплоты, отводимое от охлаждаемого объекта при затрате еди­
ницы работы, характеризует холодильный коэффициент е (формула 4.3). Тем­
пературный уровень отводимой теплоты по сравнению с температурой окружа­
ющей среды характеризует эксергетический К П Д //е (формула 4.10), причем он
учитывает и холодильный коэффициент. Размеры аппаратов и трубопроводов
зависят от расхода холодильного агента т ха, который определяется заданной Q0
и удельной 9пн холодопроизводительностью (формула 4.11). Расход холодильно­
го агента т ха и удельная работа цикла 1и определяют потребляемую установкой
мощность N , т.е. расход электроэнергии (формула 4.12). Следовательно, чем
больше удельная теплота процесса изотермного расширения в цикле qm и чем
меньше удельная работа, затрачиваемая на осуществление цикла
тем больше
с и q, и меньше т ха и N, т.е. выше экономичность установки. Таким образом,
с целью повышения экономичности парокомпрессионной холодильной уста­
новки необходимо соблюдать нижеперечисленные условия.
1.
Не следует проводить процесс испарения (кипения) хладагента при более
низких температурах, чем это требуется из условий работы технологических
аппаратов — потребителей холода. С понижением температуры кипения (ли­
ния 4а—1а вместо линии 4—1 на рис.4-1 1я) понижается давление испарения,
уменьшается холодопроизводительность установки и увеличивается удельный
расход электроэнергии. Это вызывается следующими основными причинами:
увеличивается удельный объем пара, образующегося в испарителе, в связи
с чем уменьшается количество хладагента, засасываемого компрессором в еди­
ницу времени; увеличивается степень сжатия в компрессоре (линия 1а—2а
вместо 1—2 на рис.4 -1 1а), что приводит к снижению коэффициента подачи
и уменьшению массового количества перекачиваемого хладагента; работа на
сжатие 1 кг хладоагента возрастает; увеличивается бесполезное парообразова­
ние при дросселировании, (линия 3— 4а вместо 3—4 на рис. 4 -11а), в связи с чем
уменьшается холодопроизводительность хладагента (линия 4а—1а вместо 4-1).
Циклы: процессы н установки
❖
187
Рис. 4-11. Изменение цикла парокомлрессионой холодильной машины а - при изменении
Тт, б - при изменении Г перегрева, в - при изменении Гпв. г - при наличии переохлажде­
ния.
При нормальной эксплуатации холодильной установки температуру испарения
Ікипения) хладагента поддерживают на 5 К ниже температуры хладоносителя
(рассола), которы й должен быть охлажден на ( 8 ... 10)К ниже температуры
технологических ап п ар а то в — потребителей холода.
Отдавая теплоту на испарение хладагента, рассол охлаждается на 5 К , сле­
довательно, он должен нагреваться не более чем на 5 К , отдавая холод техно­
логическим аппаратам.
Отключение отдельн ы х аппаратов — потребителей холода во нремя работы
холодильной устан овки может привести к понижению температуры испарения.
2.
Компрессор должен работать на устойчивом сухом ходу. Для этого тем­
пература всасы ваем ых паров хладагента должна быть на ( 5 ... 15) К выше тем­
пературы и сп арен и я для аммиака и на ('20... 30) К для фреона. При попадании
жидкости в ком п рессор возможен гидравлическй удар.
При излиш нем перегреве паров хладагента (точка 1Ь вместо точки 1 на
рис. 4-1 |б ) процесс в конденсаторе начнется от точки 2Ь вместо точки 2 и окон*ится в точке ЗЬ вместо точки 3, т. е. пары хладагента не полностью сконденси­
188
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛО ТЕХ НИ КА
❖
Глава 4
руются. Дросселирование сместится на л и н и ю ЗЬ—4Ь. Испарение начнется от
то чки 4Ь, удельная холодопроизводительность ум еньш ится. Такое смешение
цикла возможно, если потребитель холода перегревает хладоноситель. Если
холодильная установка рассчитана на охлаждение хладоносителя на 5 К , то
и нагревать его в технологических аппаратах допустимо только на 5 К .
3. Температура конденсации паров хладагента должна быть по возможности
ниже. С повышением температуры конденсации (л иния 2с—Зс вместо л и н и и 2 -
3 на рис.4-11в) увеличивается давление конденсации, а, следовательно, и ра­
бота цикла (линия 1—2с вместо л и н и и 1—2), уменьшается удельная теплота
испарения (линия 4с—1 вместо л и н и и 4—1). Давление и температура конденса­
ции зависят от количества и температуры воды, поступающ ей на конденсатор:
чем холоднее вода и чем больше ее поступает, тем ниж е температура. Для
нормальной работы рекомендуется подавать такое количество охлаждающей
воды, чтобы подогрев ее (при работе с водопроводной водой) составлял не
более ( 6 .. . 8) К на конденсаторах закрытого ти па (элементных, кож ухотрубны х)
и ( 2 . . . 3 ) К — на оросительных. П ри использовании градирни для п о н и ж е ­
ния температуры охлаждающей воды подогрев ее в конденсаторе допустим
в пределах (2 . .. 4) К . Температура конденсации должна быть выше температуры
отходящей воды на ( 4 .. .5 ) К. П ри вы сокой стоим ости охлаждающей воды для
ее эко н о м и и работают с более вы соким давлением конденсации и повы ш ен­
ным расходом электроэнергии на компрессор. Подачу воды в этом случае
автоматизируют. Наибольшая экон ом ично сть работы холодильной установки
достигается при охлаждении конденсатора артезианской водой. Холодильная
установка при этом работает с повы ш енной холодопроизводительностью и п о ­
ниж ен ны м расходом электроэнергии. Следует еще раз подчеркнуть, что вся
теплота, отводимая от охлаждаемых аппаратов, в конечном итоге удаляется
с отводимой от конденсатора водой.
4. Переохлаждение конденсата хладагента (л иния
личивает удельную холодопроизводительность (л ин ия
3—3d на р и с .4 -1 1г) уве­
4 d -1 вместо 4—1). Пе­
реохлаждение конденсата хладагента происходит в теплообменных аппаратахпереохладителях, которые устанавливаются между конденсатором и регулиру­
ю щ им дроссель-вентилем. Вода обы чно сначала поступает на переохладитель,
а затем на конденсатор. И ногда на конденсатор подают воду с градирни,
а на переохладитель — более холодную городскую или артезианскую воду.
При нормальной работе температура переохлаждения хладагента должна быть
на ( 1 ,5 .. .3 ) К выше температуры воды, поступающ ей на переохладитель. При
переохлаждении хладагента на один кельвин холодопроизводительность уста­
новки увеличивается на 0,4%.
5. Для
безаварийной и э кон ом ич но й работы холодильной установки следует
сначала охлаждать технологические аппараты водой до температуры ( + 2 0 . . . +
+ 3 0 )°С , и только после этого хладоносителем, например рассолом. П р и этом
вода и хладоноситель должны подводиться в различные теплообменные устрой-
Ц нк\ы : процессы и установки
Ф-
189
Рис. 4-12. Смещение холодильного цикла при изменении температур конденсации и
испарения ( к примеру 4.2),
ства во избежание разбавления рассола водой и последующего замерзания его
в испарителе. Чаще всего содержимое технологического аппарата охлаждается
в нем водой, затем это содержимое передается в другой аппарат, которой
охлаждается хладоносителем.
Разность между температурой хладоносителя и охлаждаемой средой (содер­
жимого аппарата) не должна превышать 10 К.
В химических и биотехнологиях, когда требуется охлаждение технологиче­
ских аппаратов до ( 5 .. . 15) °С , достаточно применение хладоносителей с тем­
пературой (0 ... + 10)°С, которые получают в струйных и абсорбционных холо­
дильных установках.
Пример 4.2. Сравнить расход холодильного агента, холодильный и эксергетиче­
ский КПД аммиачной холодильной установки холодопроизводительностью Qu —
= 300кВт при следующих уаювиях: 1) температура испарения
= -1 5 ° С ;
температура конденсации f = 4-31 °С ; 2) t„„ = —15°С; t„„ = 4-25°С ; 3)
—
= —10°С;
= 4-31 °С ; 4) t„„ = - 1 5 ° С ; t„, = 4-31°С,- *«*, = 4-25°С. Сравнить
полученные результаты.
Решение.
1.
При температуре конденсации аммиака tnB = 4-31 С, давление конденсаиии р„в = 1,2 М Па, температура испарения
= -1 5 "С соответствует давлению
Рпн = 0,25М Па, (см. прил. 7 и рис.4-12, точки с индексом а). При дам ении
испарения энтальпия насыщенного пара аммиака Ің = 1663 кД ж /к г. После
сжатия в компрессоре до давления конденсации энтальпия перегретого пара
аммиака ft2 = 1903 к Д ж /к г. При давлении конденсации конденсат аммиака
имеет энтальпию h3 = 566 к Д ж /к г. При дросселировании энтальпия остается
постоянной һ, = Һ:і = 566 к Д ж /к г.
Удельная теплота испарения
Чт = hi - ht = 1663 - 566 = 1097 кД ж /кг.
190
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛО ТЕХ НИ КА
О
Глава 4
Удельная теплота конденсации
Чпв = һз - h? = 566 - 1903 = -1337 к Д ж /к г .
Удельная работа цикла — это работа для повы ш ения давления от р„н до рПв
/пв = —[fa - h i) = -(19 03 - 1663) = -2 4 0 к Д ж /к г .
Холодильный коэф ф ициент цикла
9пн = 1097
_
/пв
-2 4 0
Э ксергетический коэф ф ициент, согласно уравнениям (4.10) и (4.8):
Удельный расход холодильного агента из уравнения (4 .1 1):
т ш= — =
= 0,273 кг/с .
9пн
1091
2.
П ри с н и ж е н и и температуры конденсации до гпв = +25 °С давление ко н ­
денсации уменьшается до рпв = 1,0М П а. (Н а рис.4-12 то ч ки с индексом Ь).
Тогда Лі = 1663; Һ? = 1869; h3 = h4 = 541 к Д ж /к г ;
?пн = Ai - hi = 1663 - 541 = +1122 к Д ж /к г ;
9пв = Л3 - /і 2 = 541 - 1869 = -1 3 2 8 к Д ж /к г .
/пв = -(/»2 - /ц ) = -(18 69 - 1663) = -2 0 6 к Д ж /к г :
9пн _ 1122
= -5,4 5;
-2 0 6
s ) » 0- »
Ш и = Qo/дпн = 300/1122 = 0,267 к г/с .
Т аки м образом, сниж ение температуры конденсации на (31 - 2 5 ) = 6 К привело
к увеличению холодильного коэф фициента на (5,45 - 4.57) ■ 100/4,57 = 19%,
эксергетического К П Д на (0,739 - 0.620) • 100/0.620 = 19%, при этом расход
холодильного агента уменьшился на (0,273 - 0,267) • 100/0,267 = 2,2%.
3.
П ри увеличении температуры испарения до / пн = - 1 0 °С давление амми­
ака при испарении увеличивается до рпн = 0.29М П а . Давление и температура
при конденсации аммиака рпв = 1,2 М П а , /ПВ = +31 °С. (Т о ч ки с индексом с на
р и с .4-12).
Тогда hi = 1672; h2 = 1873; h3 = hi = 566 к Д ж /к г ;
9пн = hi — ht = 1672 - 566 = 1106 к Д ж / к г
<7пв = h3 - h2 = 566 - 1873 = -1307 к Д ж /к г ,
/пв = -(h ? - h i) = -(1 8 7 3 - 1672) - -201 к Д ж / к п
■ -Е -З Й -*.
’'• = , ( 1- ё ) = - 5'5 0 ( 1“ 27ГПз)= д а
Циклы: процессы и установки
❖
191
Qo
300
m «i = — = ------ = 0 271 к г /г
«пн
1106
Г/С'
Следовательно, повышение температуры испарения на [-1 0 - (-1 5 )] = 5 К
по сравнению с первым вариантом расчета увеличило = на (5,50-4.57) 100/4,57 =
= 20%, увеличило ,,г на (0,627-0.620) 100/0.620 = 17с, и практически не изменило
ШхЗ'
4.
При условиях испарения и конденсации аммиака как в первом варианте
млачи. но при наличии переохлаждения конденсата до +25 °С (точки с индек­
сом J на рис.4-12) hi = 1663; h , = 1903; һ3 = ft4 = 541 к Д ж /к г;
Чпн
=
Чпв =
hi — ht = 1663 —541 = 1122 к Д ж /кг:
h t - h i = 541 - 1903 = -1362 кД ж /к г:
<пв = —1Л2 — A i) = -(1903 - 1663) = - 2 4 0 кД ж /к г:
M .t-S S —
"е= £ 0 ~ è ) = ^ 68 ( Х■ 27S
5) = °’635;
G® = -----300 = 0.26/.
ПОЙШта = ---Ятт 1122
Переохлаждение конденсата холодильного агента на (31 - 25) = 6 К (при усло­
виях конденсации и испарения первого варианта) привело к увеличению на
'4,68 —4.57) ■100/4,57 = 2,4%, увеличению r/t на (0.635 - 0.620) ■100/0,620 = 2.4'Я
и уменьшило та (ка к во втором варианте) на 2,2%.
4.7. АБСОРБЦИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Абсорбционные хо.іоди.іьные машины (А Х М ) относятся к теплоисполыуюшим холодильным машинам, в которых холодильный цикл осуществляется за
счет подвода теплоты с применением абсорбции и десорбции. В этих машинах
вместо механического компрессора сжатие происходит в так называемом тер­
мохимическом компрессоре: уменьшение объема холодильного агента проис­
ходит в абсорбере за счет поглощения пара ха ж идким растворителем, давление
раствора повышается насосом, после этого холодильный агент извлекается из
раствора путем десорбции (выпаривания) в аппарате, называемом генератором.
Остальные процессы в А Х М , т.е. процессы в конденсаторе, испарителе, регу­
лирующем дроссель-вентиле, те же, что и в парокомпрессионноой машине.
В абсорбционных холодильных машинах применяется бинарная смесь,
компоненты которой имеют резко различные температуры кипения при одина­
ковом давлении. Холодильный агент должен иметь низкую температуру кипе­
ния, абсорбент — более высокую. В холодильной технике ооычно используют
^Доаммиачные и бромисто-литиевые растворы, а также фреоны.
192
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
Водоаммиачная А Х М работает на растворе, в котором ам м иак являет­
ся холодильным агентом, а вода — абсорбентом.
В та ки х маш инах тем­
пература испарения хладагента tm = ( -1 0 ...-3 0 ) °С . П ринц ипиальная схема
водоаммиачной
АХМ
приведена
на
рис. 4-13. Пары аммиака 1 образуют­
ся в испарителе И при давлении рпн
и <пн и засасываются в термохимиче­
с ки й ком прессор К М т х - После сжа­
тия в КМ-рх пары 2 (при давлении рпв
и температуре t nB) поступаю т в конден­
сатор К , где конденсирую тся за счет
водяного охлаждения ос при темпера­
туре окруж аю щ ей среды, отдавая теп­
лоту Q„B. Ж и д ки й ам м иак 3 дроссе­
лируется через дроссель-вентиль ДР1
(давление и температура понижаются
до р пн и t nH) и поступает в испаритель
И , где испаряется при ки п е н и и , отби­
рая теплоту Qo от хладоносителя хн.
Тер м охи м и чески й компрессор со­
стоит
из
абсорбера А С ,
генератора
Г, насоса Н и дроссель-вентиля ДР2.
В абсорбере А С пары аммиака 1 погло­
щаются слабым водоаммиачным рас­
твором 6. О бразую щ ийся кр е п ки й рас­
Рис. 4-13. Водоаммиачная абсорбционная
холодильная машина.
твор 7 содержит окол о укр = 32% ам­
миака. Теплота Q А, выделяющаяся при
п оглощ ении паров аммиака в абсор­
бере отводится охлаждающейся водой при температуре окруж аю щ ей среды.
К р е п ки й раствор насосом Н перекачивается в генератор Г. Для перекачивания
затрачивается работа насоса L H, давление раствора повышается от рпн до рпв.
В генераторе Г за счет подвода теплоты Q r образуются пары и обогащаются
ам миаком до уп = (99,5.. .99,8)% масс. (В водоаммиачных А Х М
генератор
представляет собой р ектиф ика ц ион н ую установку). В остающ ейся жидкости
5 (слабом растворе) содержание аммиака уменьшается до усл = 19,5%. Слабый
раствор 5 проходит через дроссель-вентиль ДР2, где его давление падает от рПв
до рпн и п оток 6 поступает в абсорбер АС.
Э нергетический баланс А Х М
L» + Q r + Qo = Qa + Qrm-
(4.15)
О сновное отличие А Х М от ком пр ессион н ой заключается в том, что в А Х М
работа на привод насоса затрачивается только для повы ш ения давления рас­
твора, эта работа пренебрежима мала. В ком пр ессион н ы х м аш инах работа на
Циклы: процессы и установки
193
сжатие пара значительна, так как она затрачивается на повышение давления
пара и уменьшение его объема. Пренебрегая LH получают расхол теплоты
в генераторе:
Qr = Qa + Qns - Qo(Уравнение предстаилено по абсолютным величинам энергий). Холодильный
коэффициент, характеризующий совершенство теплоиспользования в АХМ:
Qo
(4.16)
для водоаммиачных установок он составляет 0.17... 0.50.
Удельный расход теплоты
П у д -^ .
(4.17)
Эксергетический КП Д установки по хладагенту
* = §Г7ГГ(4-,8>
Qr ■(т>)г
где (г,)т — эксергетическая температурная функция для испарителя, (г, )„„ =
= \Тт - Т ос)/Тпн', (те)г — эксергетическая температурная функция генератора,
в котором температура подводимой теплоты Гг , (гс)г = (Гг - Тж)/Тг. Пусть
насос Н подает в генератор Г ткр крепкого раствора, с массовой долей аммиака
Ркр. Из генератора Г в конденсатор К уходит т„ паров с массовой долей
аммиака уа и стекает т сл = (т ^ - т п) слабого раствора с массовой долей
аммиака уа . Тогда материальный баланс по циркулирующему аммиаку:
т крукр = (m ,р - т „ ) у м + т„у„.
(4.19)
Количество раствора, поступающего из абсорбера в генератор на 1 кг образу­
ющегося пара в генераторе, составляет кратность циркуляции раствора :
а -
т„
Vn
> l.
(4.20)
укр - уел
Из последнего выражения видно, что кратность циркуляции раствора увели­
чивается по мере уменьшения разности массовых долей аммиака в крепком
и слабом растворах. Следовательно, выгодно стремиться к возможно большим
значениям разности
- Уст)- Если уел = 0 и уп = 1* то а = 1/укр. Чтобы
обеспечить
= 0, температура кипения раствора в генераторе выбирается
близкой к температуре насыщения воды при давлении в генераторе равном
Рпв-
Бромисто-литиевые абсорбционные машины в качестве холодильного аген­
та используют воду, а абсорбентом является водный раствор бромистого л и ­
тия. Рабочие процессы в бромисто-литиевых машинах протекают так же, как
и в водоаммиачных, но аппараты работают под вакуумом, так как холодиль­
ным агентом является вода, температура испарения которой поддерживается
(+4 • ■. +7)°С с помощью вакуума.
Применение вакуума усложняет эксплуатацию установки и треб>ет расхо­
да энергии на вакуум-насосы. Бромистый литий агрессивен по отношению
'-<875
194
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
к черным металлам, поэтому поверхности делают из нержавеющей стали, мед­
ноникелевого сплава или наносят специальное покрытие. Основные преиму­
щества бромисто-литиевых машин: бромистый литий не ядовит, не горюч,
не взрывоопасен; полученный в генераторе водяной пар свободен от при­
месей бромистого лития, в установке не нужна ректификационная колонна
и дефлегматор, что повышает ее экономичность (тепловой коэффициент до
70%); меньшая масса и большая компактность, чем у водоаммиачных машин.
Бромисто-литиевые машины применяются в основном для охлаждения воды:
получения «захоложенной» воды для технологических аппаратов и в установках
для кондиционирования воздуха.
А Х М просты и надежны в эксплуатации. Их холодильные коэффициенты
меньше, чем компрессионных машин. Однако относительная эффективность
этих машин определяется не только количеством, но и видом затраченной
энергии. В АХМ вместо электрической энергии, потребляемой компрессором,
затрачивается теплота, которая может быть получена при утилизации вторич­
ных энергоресурсов (ВЭР). В этом случае применение АХМ оказывается рента­
бельнее, чем компрессионных, несмотря на их громоздкость и металлоемкость.
А Х М очень широко используются во всех странах мира.
4.8. ПАРОЭЖЕКТОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
В химических технологиях и биотехнологиях часто используется вода, охла­
жденная до температуры (4 -4 ... 4- 10)°С , которую можно получить не только
в А Х М , но и в пароэжекторной холодильной машине (П Э Х М ). Эти маши­
ны являются теплоиспользующими холодильными машинами с применением
эжекции холодильного агента. Они позволяют экономить топливно-энергетические ресурсы, поскольку могут работать на вторичных тепловых энергоре­
сурсах.
В пароэжекторных машинах в качестве холодильного агента используется
чаще всего вода (возможно использование и фреонов).
На рис. 4-14 показана схема пароэжекторной холодильной машины и ее
цикл в T —s координатах. Рабочий сухой насыщенный водяной пар 1 массой шп
давлением рп = (0,4...1) М Па поступает из парогенератора П Г в сопло эжектора
Э. При истечении из сопла его давление понижается до рт (процесс 1—2 на
T - s диаграмме). В камере смешения эжектора происходит смешение пара 2
с сухим насыщенным паром 7, поступающим из испарителя И с параметра­
ми рпн и Гпн, с массой тпхн. В результате получается влажный пар (точка 3)
массой (шх„ 4- тп), давлением рпн- Далее из камеры смешения влажный пар
поступает в диффузор эжектора, где давление его увеличивается (процесс 3—
4)
до давления р т • Пар 4 направляется в конденсатор К, где происходит полная
его конденсация (процесс 4—
5)\ теплота конденсации Qna отводится водой ос
1 І и к \ы . п р о ц е с с ы и у с т а н о в к и
О
ч- j
v
!
*-14. Пароэжекторная холодильная машина а - схема, й - цикл в Г - < координатах
яри температуре окружаю щ ей среды. И з конденсатора одна часть конденсата
ЧЙХ0Й ,пп насосом Н подается в парогенератор П Г (процесс 5 -8 ), другая часть
Kl>HJeHcara массой т т поступает в дроссель Д Р В результате дросселирования
давления рпи (проиесс 5—6) получается влажный пар (точка 6). который
вступает в испаритель И. В испарителе под вакуумом ки пи т и испаряется
Юда Остаточному давлению р,ш = (0.7...1,2)кПа соответствует температура
”» - (4...10) “С. Эта вода является одновременно хладоносителем. Нагреваясь
^отребителей холода, т. е. получая теплоту Qo. нота возвращается в испаритель
■,ле испаряется за счет этой теплоты.
196
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
В парогенераторе П Г подводится теплота Qn, в результате чего конденсат
массой т„ превращается в сухой насыщенный пар с давлением рп (процесс
8-9 -1 ).
Энергетический баланс пароэжекторной холодильной машины (в абсолют­
ных величинах):
Qn + Qo — QnB-
(4.21)
Холодильный коэффициент пароэжекторной машины:
(4.22)
он обычно не превышает 0,2.
Удельный расход теплоты на единицу холода:
Qn
1
(4.23)
Расход теплоты на получение рабочего пара:
Qn = т п(Лі -
һ 5),
(4.24)
где hi — энтальпия рабочего пара, Һъ — энтальпия конденсата.
Расход теплоты, отводимой от потребителя холода на испарение воды:
Qo = mXH(/i7 - h ) ,
(4.25)
где Л7 — энтальпия инжектируемого пара из испарителя, he = Л5 — энтальпия
пара после дросселирования.
Расход теплоты в конденсаторе:
QnB = (т п ■hi + тт ■h7) - (шп + т т ) ■һ ъ.
(4.26)
Обозначив расход рабочего пара, приходящегося на 1 кг инжектируемого пара
из испарителя, через т„1тт = И, получим
е= Г
Г '* 1
(4-27)
Һ\—
— /І5
Как показывают опытные данные, И = 2 ,5... 4,1 к г/к г , если рп/Рпн = 4 ,5 ... 8,0.
Эффективность пароэжекторных установок сравнивается по эксергетическим КП Д
Ve =
Qojc
,
(4 2g)
mn(ei - е5)
где те = (T™ - Гос)/Тпн — эксергетическая температурная функция для теплоты
Q0; ei и е5 — эксергии рабочего пара и конденсата (точки 1 и 5 на T - s
диаграмме). Эксергетический К П Д составляет обычно (4...3,5)% .
Отсутствие в пароэжекторных машинах промежуточного хладоносителя
позволяет использовать воду при температуре кипения в испарителе, что повы­
шает тепловую эффективность и экономичность холодильной машины. К до­
стоинствам следует отнести также простоту конструкции и обслуживания.
Недостатками являются: большой расход воды в конденсаторе для конден­
сации не только пара из испарителя, но и рабочего пара; большие габариты
Цнк\ы: процессы и установки
197
О
оборудования и ком м уни кац ий ; работа аппарата под вакуумом; трудность ре­
гулирования холодопроизводительности, так как установка эффективна только
при полной нагрузке. О бычно регулирование приходится осуществлять путем
отключения части параллельно работающих эжекторов.
4.9. ГАЗОВЫЕ КОМПРЕССИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ
МАШИНЫ
В газовых ком прессионны х холодильных машинах газообразный холодиль­
ный агент сохраняет свое агрегатное состояние. В качестве холодильного агента
наиболее часто используется воздух. Его достоинствами являются безвред­
ность, дешевизна и безопаснсть.
Распространение получили воздушные холодильные машины с турбоком­
прессорами и турбодетандерами из-за их компактности и способности пере­
мешать большие объемы циркулирующ его воздуха. Для выработки единицы
холода требуется подавать значительные количества воздуха из-за его малой
теплоемкости. 8 этих машинах получают холод при температурах <Лн < ( - 6 0 .. .- 80) 'С.
На рис.4-15 изображена схема такой машины и ее цикл в T - s координа­
тах. Воздух при температуре 7\ и давлении рпн поступает в турбокомпрессор
КМ, где он адиабатно сжимается (процесс 1—2). В теплообменнике А Т воздух
нзобарно охлаждается до температуры Гз, практически равной температуре
окружающей среды Т,х , отдавая теплоту </0!(л■
Дальнейшее охлаждение воздуха при давлении рпв (изобарный процесс
3~4) происходит в регенеративном теплообменнике ТР, отдаваемая теплота
îi-i. При адиабатном расш ирении воздуха (процесс 4 —5 ) в турбодетандере Д Т
давление и температура воздуха понижаются дорі,„ и Т5, при этом от детандера
отводится работа /Л7, которая передается на вал компрессора. Холодный воздух
стемпературой Х& поступает к потребителю холода пх в холодильнике X, воздух
изобарно нагревается от Ть до Та, отбирая теплоту qnн- Дальнейший нагрев
воздуха при давлении рпн (изобарный процесс 6—1) происходит в регенератив­
ном теплообменнике ТР, при этом воздух получает теплоту qe-1 от встречного
охлаждаемого потока воздуха, поэтому qe- 1 +Чэ-4 - 0- Работа цикла lu = lKM+lm<
кшгота цикла Чи = g0„ + ? 3_4 + <?mi +Чъ-i = Чохп + Чт- Работа цикла равна теплоте
чикла /„ = ?ц.
Холодильный коэф фициент цикла:
_ 9пн _
Чпн _
ч™
Е ~ lu
+ ^лт
Яохл + Чпн
Эксергетический К П Д по холодильному агенту
/ ч
7je — в(Те)пн ~ ^
~ Т<х
гр
’
(4.29)
198
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Рис. 4-15. Газовая холодильная машина а - схема, б - цикл в Т - в координатах
Глава 4
Циклы: процессы и установки
❖
199
где Тср средняя температура холодильного агента при подводе к нему дпн,
Тср = (^6 + 1«)/2На практике получили распространение воздушные холодильные машины
с разомкнутым процессом, в котором воздух поступает непосредственно из
атмосферы в регенеративный теплообменник ТР. В детандере ДТ давление
воздуха понижается ниже атмосферного давления, а компрессор КМ сжимает
возлух до атмосферного давления. При этом кроме получения холода может
быть использована теплота выходящего из компрессора воздуха с температурой
(100...120) “ С.
4.10. ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ
В процессе осуществления обратного цикла теплота не только отбирается
от холодного источника, но и сообщается приемнику с более высокой темпе­
ратурой. Следовательно, результатом осуществления обратного цикла является
не только охлаждение теплоотдатчика, но и нагрев теплоприемника.
Теплонасосными установками (ГН У) или тепловыми насосами (ТН) на­
зываются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии
в форме теплоты от более низкого к более высокому температу рному уровню,
необходимому для теплопотребления. Основное назначение этих установок
состоит в использовании сбросной теплоты (тепловых отходов производства),
атакже теплоты окружающей среды.
В обычных теплообменниках теплота передается только от более нагретого
потока к менее нагретому, т.е. в сторону уменьшения температуры. Если от­
влечься от затрат мощности на передвижение потоков вешеств (насосы, венти­
ляторы), то передача теплоты в теплообменнике происходит самопроизвольно,
без затрат работы.
В ТНУ теплота передается от более холодного к более нагретому потоку
(в сторону увеличения температуры), но такая передача возможна только при
затрате работы.
Применение ТН У возможно как для теплоснабжения жилых помещений
и общественных зданий, так и для производственных процессов Т Н І позво­
ляют использовать энергию более эффективно, чем при любом другом способе
обогрева и восстанавливать сбросную энергию. Этим определяется их важная
Роль в сохранении энергоресурсов и сокращения ущерба от загрязнения окру­
жающей среды.
В настоящее время разработаны и находят применение три основные груп­
пы ТНУ: компрессионные (паровые), струйные (эжекторного типа) и абсорб­
ционные.
200
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава 4
2
ДГ
3
а
6
Рис. 4-16. Парокомпрессионная ТНУ с замкнутым циклом: а - схема, б - цикл в T - s
координатах.
4 .1 0 .1 .
К о м пр е сси о н н ы е ТНУ
Ком прессионны е Т Н У могут работать ка к по замкнутому ц иклу, та к и по
разомкнутому. Схема Т Н У , работающая по замкнутому ц и кл у (р и с .4-16),
п рин цип иа льн о ничем не отличается от схемы пароком прессионной холодиль­
ной машины. О днако присоединение потребителей в Х У и Т Н У осуществляет­
ся по-разному. В схемах Х У потребитель (холода) присоединен к испарителю,
а в Т Н У потребитель (теплоты ) подсоединен к конденсатору.
В результате подвода н изкопотенциальной теплоты <?„„ = hi - h4 от источ­
н ика ос в испарителе И происходит ки пен и е рабочего агента (процесс 4—Г)
при давлении р пн и температуре Гпн. Пары 1 поступаю т в ком прессор К М , где
сжимаются (процесс 1—2) до давления р„8, температура паров повышается. На
повыш ение давления затрачивается работа
ГПВ = hi — Һ-2Затем пары 2 охлаждаются и конденсирую тся в конденсаторе К (процесс 2 —3)
при постоянном давлении р „ температура конденсации Тпв. П ри охлаждении
и конденсации выделяется теплота qnD = h3 - Л2. отбираемая потребителем
теплоты пт. Конденсат 3 проходит через дроссель-вентиль ДР. В процессе
дросселирования (3 —4) энтальпия остается п остоянной h t = Һ3, давление
и температура пониж аю тся до рпн и Гп„. Ц и кл замыкается. К а к и для всякого
цикла 1п = <?„. В данном случае (ц = (пв, gu = <7пв + 9пнВ циклах, работающих в области перегретого пара (газа), вместо дроссельвентиля может быть установлена расширительная маш ина (турбина или детан­
дер), тогда работа цикла складывается из работы /пв и работы, отводимой от
расш ирительной м аш ины /пн, 1и = 1пв + 1„н. Все остальные процессы и формулы
остаются теми же, что приведены для цикла с дроссель-вентилем.
О сновной термодинам ической характеристикой Т Н У является коэффици­
ент преобразования (коэф ф ициент трансф ормации), которы й есть отнош ение
Циклы: процессы и установки
❖
201
количества теплоты, отданной потребителю, к затраченной в цикле работе
9пв
v =
(4.30)
Так как величины
и 1Ц всегда отрицательны, то коэффициент преобразова­
ния у имеет знак плюс. Коэф фициент преобразования всегда больше единицы.
Теплота qm = 1а - ?пн, или в абсолютных величинах |gMBj = |iu| + |9пн|, т.е. по
абсолютной величине |дП8| всегда больше jg„„|. Таким образом, в Т Н У потре­
битель получает теплоты больше, чем при любом другом способе обогрева.
Применение Т Н У считается выгодным, если отношение Тт/Т т га 1. В этом
случае ТНУ расходует в 2 ,0 ... 2,5 раза меньше энергии на единицу выработан­
ного тепла, чем установка с непосредственным электрообогревом у тепловых
потребителей.
Если бы ТНУ работала по обратному циклу Карно, то коэффициент пре­
образования
Гпв
= ÿ— у
1
= ------- r r~V-
(4.31)
(-fe )
Ит этого выражения видно, что чем меньше разница между Гпн и Гпв, тем выше
коэффициент преобразования. Например, если Тпм = (20 + 273) К и Тпв = (120 +
+ 273)К, т.е. Г п „/Г пн = 1.3 га 1, то
= 4; если Г п„ = (20 + 273) К и Тт = (250 +
+ 273) К, т. е. Тт/Тпн = 1.8 га 2, то <fK = 2.
Системы оборотного водоснабжения круглый год имеют температуру
(+20..+30) °С. эти системы м ожно считать основными источниками теплоты
для ТНУ. Сбросную теплоту процессов выпаривания, суш ки, перегонки,
а также вентиляционны х выбросов целесообразно утилизировать, применяя
ТНУ, так как во всех этих случаях Тт /Т„„ га 1.
Величину Iр неудобно использовать для сравнения теплонасосных устано­
вок с разными температурами подвода низкопотенциальной теплоты и разны­
ми температурами отпуска теплоты потребителю. Для этих целей используется
эксергетический КПД
гдеега ■
— эксергия теплового потока в конденсаторе,
(432)
— подведенная эксер-
гия- необходимая для работы Т Н У ;
«пв = Чпв
= ЧтП,
€вх — ^ЦВ результате
У)е — <рТецикла Карно, если Гпн = Тж, то t)e = 1.
Рабочие агенты тепловых насосов должны обладать низкой температурой
кипения при давлении близком к атмосферному, малым удельным объемом,
большой теплотой парообразования, иметь высокую температуру конденсации
202
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
а
О
Глава 4
б
Рис. 4-17. Парокомпрессионная ТНУ с разомкнутым циклом: а - схема, б - цикл в Т - з
координатах.
при невысоких давлениях, быть нетоксичными, не вызывать коррозию, иметь
низкую стоимость. В качестве рабочих агентов Т Н У применяются фреон-11,
фреон-21, фреон-113, фреон-114, фреон-142, вода и др. В настоящее время
разрабатываются и внедряются озонобезопасные фреоны.
Теплоотдатчиком (источником теплоты) в испарителе могут быть: наруж­
ный воздух, вода естественных водоемов, фунт. Если теплоотдатчиком явля­
ются продукты, полупродукты или отходы промышленного производства, то
энергетический эффект работы Т Н У увеличивается не только за счет того, что
Гпн > Тж, но и за счет утилизации сбросной теплоты (см. главу 6).
При разомкнутом циюге испарение рабочего агента и его конденсация сов­
мещены в одном технологическом аппарате. Схема Т Н У значительно упроща­
ется. Такие Т Н У обычно называются термокомпрессорами. Они применяются
для повышения параметров водяного пара или воздуха (т.е. рабочим агентом
является вода или воздух) с целью утилизации теплоты в процессах выпарива­
ния, сушки, для концентрирования сточных вод и т. п. (см. главу 6).
В аппарат К - И (рис. 4-17) подается поток жидкости 4. Жидкость частично
испаряется, образуются пары 1 (процесс 4—1) при давлении рпн и температуре
Г пн. На испарение потребляется теплота дпн = һ} - /і4. Пары 1 сжимаются
(процесс 1—2) компрессором К М от давления рПн до давления рПв, при этом
затрачивается работа /км = hi - h>. При охлаждении паров 2 до температуры
конденсации Гпв и их конденсации (процесс 2—3) выделяется теплота qnB = h3- /і2. Этот процесс происходит в конденсаторе - испарителе К —И, в котором
теплота конденсации пара 2 передается на образование пара 1 из потока 4. Из
цикла выводится конденсат 3. Поток 5, оставшийся после испарения пара 1 из
жидкости 4, выводится из нлагоотделителя ВД. Материальный баланс цикла:
Я І4 = Ш 5 + Ш і ,
где т4 и т 5 — массовые расходы потоков 4 и 5; m i — расход пара 1, m i =
= ш2 = т3; пар 1 является рабочим агентом цикла. Все остальные расчетные
формулы остаются такими же, как для замкнутого цикла.
Циклы: процессы и установки
❖
203
Пример расчета прим енения ТНУ и процессе выпаривания дан в гл. 6
(пример 6.3).
При любой схеме ком прессионного теплового насоса с тепловой мощно­
стью до 400 кВт наиболее распространены поршневые компрессоры. В более
мощных ТНУ применяют винтовые, центробежные и осевые компрессоры.
Центробежные и осевые компрессоры применяются при расходах выше
}00м3/с. Эти типы компрессоров чувствительны к попаданию алаги в про­
точную часть, и их К П Д сильно уменьшается при уменьшении нагрузки.
Винтовые компрессоры ш ироко используются для сжатия двухфазных сред
и обладают хорошим объемным и адиабатным К П Д в диапазоне от 50 до 100%
максимальной нагрузки. Расход и мощность в этом типе компрессора пропор­
циональны скорости, поэтому ее изменение — наиболее эффективный метод
регулирования расхода. Винтовой компрессор может применяться при расходах
пара до 10м3/с. О тношение давлений в одноступенчатой машине достигает 7,
в двухступенчатой 14. Винтовой компрессор имеет ряд характеристик, которые
делают его очень удобным для применения в ТН У . У него низкая скорость
н безударное течение потока вдоль ротора. В нем можно сжимать двухфазные
системы без опасности повреждения компрессора. При больших отношениях
давлений это позволяет не применять промежуточного охлаждения, так как
теплота, которая уходит на нагрев однофазного потока, в этом случае уходит
на испарение ж идкой фазы. Это приближает процесс сжатия к изотермному, и,
следовательно, уменьшается работа сжатия, т.е. наиболее эффективным явля­
ется сжатие именно влажного пара. Другие особенности компрессоров раш ых
типов см. в главе 3.
Приводом компрессора может служить электродвигатель, газовая турбина
или двигатель внутреннего сгорания (ДВС ). Привод от электродвигателя явля­
ется распространенным, что объясняется его дешеви зной, простотой в эксплуа­
тации и высокой надежностью. Вместе с тем электродвигатель менее эффекти­
вен по первичной энергии. Газовая турбина имеет относительно небольшие
размеры для своей мощности, но имеет высокую стоимость. При нагрузке
ниже (20. .25)% от максимальной мощности К П Д турбины резко уменьшается,
т е. она не может применяться в установке с большим лилии ю ном изменения
нагрузок. При использовании в качестве привода ДВС появляется возможность
использовать теплоту' воды, нагретой в охлаждающем контуре двиіателя и теп­
лоту выхлопных газов.
Компрессионные тепловые насосы имеют сравнительно высокий К П Д
и небольшие габариты. Недостатком их является дороговизна и сложность из­
готовления, а также большие расходы механической энергии при значительном
повышении давления. Область применения этих Т Н У - установки большой
производительности с небольшим повышением давления.
Применение компрессионных ТНУ в нашей стране сдерживается отсут­
ствием компрессоров для сжатия паров, в то время как за рубежом они широко
204
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛО ТЕХ НИ КА
❖
Глава 4
используются в системах тепло- и хладоснабжения, в технологических процес­
сах.
4 .1 0 .2 .
П а р о эж е кто р н ы е ТНУ
Пароэжекторные Т Н У работают только по разомкнутой схеме. В них при­
меняются паровые эжекторы, по принципу действия аналогичные струйному
вакуумному насосу, описанному в разделе 3.2.6. В паровых эжекторах с по­
мощью водяного пара высокого давления происходит сжатие инжектируемого
(подсасываемого) потока до необходимых давления и температуры (см. раздел
4.8). Отношение давлений на выходе и входе в эжектор находится в пределах
от 1,2 до 4.
На рис. 4-18 представлена схема такой установки, применяемой, напри­
мер, для утилизации теплоты вторичного пара в процессе выпаривания:
Э — пароструйный эжектор, АВ — выпарной
аппарат, 1 — рабочий пар высоких параметров,
который сжимает низкотемпературный пар 2 до
параметров, необходимых для использования его
в качестве греюшего пара 3 (пар средних пара­
метров), 5 — разбавленный раствор, 6 — концен­
трированный раствор, 7 — конденсат феюшего
пара, 4 — избыток пара средних парамефов.
В многокорпусных установках эжектор мож­
но устанавливать за любым корпусом установ­
ки. Чем ниже давление всасываемого пара, тем
полнее утилизация теплоты, но фебуется боль­
ше энергии на сжатие. Место установки эжекто­
ра должно определяться на основании технико­
Рис. 4-18. Пароэжекторная ТНУ.
энергетических расчетов,
Сфуйные Т Н У просты в изготовлении
и в обслуживании, компактны и дешевы. К недостаткам относится низкий
К П Д (около 20...25%), который ухудшается при работе компрессора в режимах,
отличных от расчетного.
Сфуйные Т Н У применяются, например, для утилизации теплоты зафязненных жидкостей, теплоты вторичного пара выпарных установок и др.
(см. главу 6).
4 .1 0 .3 .
В о зд уш н ы е ТНУ
В рассмотренных выше теплонасосных установках в качестве рабочих аген­
тов использовались пары разных веществ. Однако рабочим агентом может быть
Циклы: процессы и установки
-Ф
205
Рис. 4-19. Воздушный ТН с положительным циклом: а - схема; б - цикл в Г - s координатах.
и воздух. Причем возможны две модификации ТН , работающих на воздухе:
положительный цикл и отрицательный цикл.
В положительном цикле, цикле Брайтона (рис. 4 - 19) воздух засасывается
компрессором КМ в состоянии /, сжимается с повышением температуры до
состояния 2, охлаждается в теплообменнике А Т при постоянном давлении до
состояния 3 и расширяется в турбине (турбодетандере) Д Т до состояния 4.
Поскольку Т4 < Г ь в дальнейшем выброшенный холодный воздух нагрева­
ется до состояния 7i за счет теплоты атмосферного воздуха или каких либо
охлаждаемых объектов, т.е. условно цикл замыкается линией 4-1. Так как
турбина размещена на одном валу с компрессором, она возвращает на вал часть
чошности, затраченной на привод компрессора. О писанный тепловой насос
целесообразно применять, например, в конвективны х сушильных установках.
Коэффициент преобразования для такой установки
ч—
Г
Фат
Л км + -Чп
где Q,, — теплота, отдаваемая в теплообменнике, Л'км и Л'ат — мощности ком ­
прессора и детандера. Чем выше уровень совершенства детандера и компрес­
сора, тем выше ç. В настоящее время, когда К П Д осевых многоступенчатых
компрессоров составляет 0.9, а турбодетандеров 0,92, для многих установок
коэффициент преобразования
> 2. В описанном цикле давление воздуха по­
вышается от атмосферного до давления сжатия в компрессоре (положительный
цикл).
Возможна другая модификация, когда воздух будет поступать в детандер,
охлаждаться при расш ирении и сжиматься в компрессоре до атмосферного
Давления. Это отрицательный цикл, который по предложению В. Томсона
(Кельвина) в 1852 г. положил начало тепловым насосам. В настоящее время
Развитие воздушных детандеров привело к существенному прогрессу в К П Д
*тих машин. Кроме того, ш ирокое развитие получили контактные воздухо­
нагреватели, в которых холодный атмосферный воздух нагревается за счет
непосредственного контакта с водой. Такие установки целесообразны во всех
206
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
а
❖
Глава 4
б
Рис. 4-20. Воздушный ТН с отрицательным циклом: а - схема; б - цикл в T - s координатах.
случаях отопления, совмещ енного с вентиляцией, прим еняем ого для п роиз­
водственных помещ ений.
Схема отрицательного цикла изображена на рис. 4-20. Атмосф ерный воз­
дух 1 (например, с температурой t\ = - 1 0 °С ) поступает в детандер ДТ . После
расш ирения (процесс 1—2) холодный воздух (например i 2 = - 1 5 °С ) подается
в подогреватель А Т (аппарат теплообменны й), где нагревается (процесс 2—
3),
например сточны м и водами до
t3 =
+ 6 °С . Нагреты й воздух
3
сжимается
(процесс 3 - 4 ) компрессором К М до атмосферного давления, его температура
при этом повышается до значения, необходимого для целей отопления и вен­
ти ля ции, например до t4 = +18 °С. В данной схеме заданными считаются тем­
пературы и давления атмосферного воздуха и воздуха, подаваемого в систему
отопления, температура воды и температурный напор между воздухом и водой
на выходе из теплообменника АТ. Тогда, если пренебречь сопротивлением
теплообменника, давление воздуха на выходе из детандера
Pi
кУкм ’
^
(g )*-1
где pi и р 4 — давления на выходе из детандера и компрессора; Т4 и Г3 —
температуры воздуха на выходе и на входе в компрессор, К ; к — показатель
адиабаты; г/км — К П Д компрессора.
В свою очередь
Т3 = Т о с - A t,
где Гос — температура воды, подаваемой из окруж аю щ ей среды, или исполь­
зуемых ВЭР; A t — разность температур между водой и воздухом на выходе из
теплообменника А Т , К.
Температура воздуха на выходе из детандера
(к — 1)??дт
Г2 = Г ! ( О )
к
где р) — давление воздуха на входе в детандер; Т, и Т2 на входе и выходе из детандера, К ; г/лт — К П Д детандера.
температуры воздуха
Циклы процессы н установки
О
207
Коэффициент преобразования такой установки
Q
,=
_ н >~ н >
*^КМ + -\гг * Л'н
Л км 1 -У;и + К
где Q - теплота, полученная в тепловом насосе: Я 4 и Я, - энтальпии потока
воздуха на входе и выходе из теплового насоса: Л км, N „ , Л'н — мощности
приводов компрессора, детандера, насоса для подачи воды.
Эффективность отрицательного цикла увеличивается при понижении тем­
пературы наружного воздуха, а также при увеличении температуры ВЭР. Су­
щественно. что рассматриваемая схема осуществляет не только нагрен воздуха,
но и выполняет ф ункции вентилятора, одновременно воздух обеспыливается
и увлажняется.
Из сравнения положительного и отрицательного циклов следует, что для
отрицательного цикла несколько выше коэффициент преобразования (при
прочих равных условиях), но его эксплуатация более сложная, чем положи­
тельного цикла.
Применение Т Н У для утилизации тепловых выбросов рассмотрено в гла­
ве 6.
4.11. КРИОГЕННЫЕ УСТАНОВКИ
Для осуществления некоторых технологических процессов необходимы
кислород, азот и другие отдельные газы, входящие в состав воздуха. Разделение
воздуха на компоненты возможно путем низкотемпературной ректификации
сжиженного воздуха. На предприятиях, использующих биотехнологии, обычно
имеются специальные цеха (станции) разделения воздуха, где применяются
криогенные воздухоразделительные установки, предназначенные для ож иж е­
ния воздуха и последующего разделения его на входящие компоненты.
Получить ж идкий газ возможно только при температурах ниже критической
(см. раздел 1.2), которая для воздуха составляет -140.6 С: для азота -115,93С :
шя кислорода -1 1 8 .-Г С ; для гелия -267.95“ С. Далее рассматриваются только
энергоемкие системы криообеспечения, т.е. криоожижители.
Для внутреннею охлаждения рабочего тела, в данном случае воздуха, как
и в холодильных установках, используются процессы дросселирования и детандирования.
На рис.4-21 показана схема криоожижителя и основные процессы на Т —s
Диаграмме.
Воздух I сжимается от рж до Рпп и охлаждается до температуры
. близ­
кой к Г * . Сжатие может производиться как в одном компрессоре К М , так
и в нескольких последовательно включенных компрессорах (двух и более)
с промежуточным водяным или воздушным охлаждением в теплообменни­
ка* АТ. В установках низкого давления воздух сжимается до давлений рпо =
= 0.50. .0.55 М П а, в установках среднего давления Р™> = З М П а, в установках
208
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
а
Рис. 4-21. Типовая принципиальная схема криоожижителя (а) и процессы в нем в Т - <
координатах {б)
высокого давления р„о = 20МПа. В установках высокого и среднего давления
предусмотрена система СОО осушки воздуха и очистки его от углекислого газа.
Сжатый воздух может проходить предварительное охлаждение до темпера­
туры Т3. Такое охлаждение осуществляется в регенеративном теплообменнике
TPI обратным потоком расширенного воздуха или используется дополнитель­
ное внешнее охлаждение (отвод теплоты <5ло„) хладагентами или криоагентами.
Другой вариант дополнительного охлаждения — внутреннее охлаждение,
когда в схему включаются детандеры, параллельно или последовательно. На
схеме показано параллельное подключение детандера ДТ, в который отводится
часть воздуха у. Этот воздух расширяется (процесс 3 -4 ), давление его понижа­
ется до рж, а температура до Г4, и он смешивается с обрат ным потоком воздуха
(точка О.
До температуры точки 5 воздух, например, охлаждается в регенеративных
теплообменниках ТР2 и ТРЗ.
В современных установках для окончательного охлаждения воздуха исполь­
зуются три варианта: дроссельный (в цикле Линде, показанном на рис.4-21,
Циклы: процессы и установки
❖
209
ДР дроссель и процесс дросселирования 5 - 6 ) , дроссельно-эжекторный и детанлерный. Первый вариант наиболее прост и надежен, но второй и третий
более эффективны.
Для отделения ж ид ко го воздуха (точка 0) из полученного влажного пара
(точка 6) устанавливается сепаратор (влагоотделитель) ВД.
Неожиженный воздух (точка 7), имеющий температуру жидкого воздуха,
последовательно проходит через регенеративные теплообменники ТРЗ. ТР2,
ТР!, охлаждая прямой поток сжатого воздуха. Температура обратного потока
воздуха при этом повышается от Т- до Г8.
Обшее уравнение энергетического баланса криоожижителя имеет вид:
m ill» +
т у ,\һ „ , + £
Qaon — m A h Hp + Qm + т жДАж,
(4.34)
где m — расход воздуха, циркулирующ его в установке; А һкм — разность эн­
тальпий воздуха на входе и выходе в компрессор, обычно называемая удельной
холодопроизводительностью компрессора, Л/)ки = hi - h2\ у, — доля но пуха,
проходящего через г-й детандер, для последовательно включенных детанде­
ров а = 1; ЛҺЯТ1 — разность энтальпий на входе и выходе «-го детандера,
обычно называемая удельной холодопроизводительностью детандера; У £?ДШ1 —
суммарное количество теплоты, отведенной при дополнительном охлаждении;
ЛЛ„Р — потеря холода от недорекуперации, значение величины Л /і,ф = /ij - hs
определяется разностью температур Л 7 = Т2 - Г» на теплом конце теплооб­
менника ТР1: С2„з — потери холода через теплоизоляцию установки; тж —
расход ожиженного воздуха: ЛЛА — разность энтальпий исходного и ож иж енного воздуха, Д /іж = h t - ho- Обычно из уравнения (4.34) рассчитывается до.гя
ожиженного воздуха, которая может составлять от 0.1 до 0,4:
j.
m»
+ 5Z
m
^
9лоп -
^ ^
АҺ »
Пример 4,3. $ криогенной установке, работающей по простому регенеративному
uuKjiy получают жидкий воздух. Температура воздуха до и пос.іе компрессора
+30 °С. Воздух сжимается до 20 МПа, дросселируется до 0.1 МПа Определить
шергетическиц КПД установки, расход получаемого жидкого воздуха и необходи­
мые для этого затраты мощности, если в установку поступает 400 кг/ч воздуха.
Темоприток через изоляцию 6.0 кДж /кг. Общий КПД компрессора 0.54.
Решение. Параметры воздуха в разных точках цикла определяются по Т —в
Диаграмме воздуха (см. прил. 6 и рис. 4-22): при температуре Т\ = 273 + 30 =
= 303К и давлении \п — 0.1 М П а удельная энтальпия Һ\ = 5 1 0 кД ж /кг, удельная
энтропия S, = 3 .7 5 к Д ж /(к г К ), при температуре Т2 = Т\ = 303К и р г = 20М Па,
2,
удельная энтальпия Л2 = 482 кД ж /к г. При * = 0.1 М П а ж идкий воздух,
точка 0 на линии насыщения т = 0, имеет я0 = 0, /»о = 100,6 к Д ж /к г. Тп - 80 К ' -193'“С; насыщенный пар воздуха, точка 5 на линии насыщения х = 1, имеет
k ~ 289 кД ж /кг, Г5 = 83 К = -1 9 0 °С.
210
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛО ТЕХ НИ КА
❖
Глава 4
Рис. 4-22. Изображение цикла криоожижителя в T - s координатах (к примеру 4.3).
Удельная холодопроизводительность компрессора
ЛЛкм = h i - h 2 = 516 - 482 = 34 к Д ж /к г .
Доля ожидаемого воздуха в цикле рассчитывается по уравнению (4.35), которое
в задаче приним ает вид
hi - h o
где 9„р — потери холода от недорекуперации, к Д ж /к г ; qm — потери холода
в окруж аю щ ую среду через изоляцию , к Д ж /к г , дт = 6,0 к Д ж /к г ;
Янр = срA t,
где Ср — удельная теплоемкость воздуха при температуре на выходе из те п ­
л ообменника, к Д ж /к г ; А / — разность температур сж атого воздуха, входящего
в теплообм енник и расш иренного воздуха, выходящего из теплообменника,
принимается A t = 5 К . П ри температуре Һ = 30 °С , изобарная массовая тепло­
емкость воздуха ср = 1,004к Д ж / ( к г К ) (см. прил. 9)
9нр = 1,004 • 5 = 5,0 к Д ж /к г .
Y
34,0 - 5,0 - 6,0
5 1 6 -1 0 0
Расход сж и ж е н но го воздуха
ш ж = 400 • 0,055 = 22,2 к г /ч .
Цнн\ы: процссгы н установки
О
211
Мощность двигателя многоступенчатого охлаждаемого компрессора рассчиты­
вается по уравнению (3.21) с учетом уравнения (3.6)
тД Г, | „ *
.V™ =
'Ым
где R = 0,287к Д ж /(к г К ) - удельная гаювая постоянная воздуха (см прил. 10),
г)я _ обший К П Д компрессора
400 • 0.287 303 to —
N m = ------------- -- ------------— = 3.4 105 кВт ч
и,54
Удельный расход энергии на получение I к г ж идкого воздуха
"ул =
3.4 • 106
- = 1.5 • 104 к Д ж /к г
Удельная эксергия ж ид ко го воздуха
(■а — hf) —/іое
Тж(Яц
вог),
гае Л* = hi = 515.4 к Д ж /к г ; вж = at = 3.75 кД ж Д к г К ); *0 = 0 : Тж = Т, = 303 К.
е0 = 100.6 - 515,4 - 303(0 - 3.75) = 721.4 к Д ж /кг.
Эксергетический К П Д установки
^ ~ ПуЖ'
п, = ' 21 4 . 100 = 4,7$?.
"
1,5 104
4.12. СОВМЕСТНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ТЕПЛОТЫ
И ХОЛОДА
В тех случаях, когда подвод теплоты к обратному
циклу производится при температурах ниже темпера­
туры окружающей среды, а отвод теплоты от цикла
осуществляется при температурах выше температуры
окружающей среды, цикл служит для совместного по­
лучения теплоты и холода.
На рис. 4-23 показан такой цикл Карно с идеаль­
ными процессами адиабатного сжатия 1-2. изотерм­
ного сжатия 2—3, идеального адиабатного расширения
3~4и изотермного расширения 4-1.
Эффективность совмещенного цикла характеризу­
йся коэффициентом эффективности А. рассчитывае­
мым по абсолютным значениям величин теплоты и ра­
боты:
,
ІЧ п .І + І9 ПН
I/..I
(4 .3 6 )
Рис. 4-23. Цикл Карно
для совместного получе­
ния теплоты и холода
212
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
где дпв — теплота, отводимая от цикла при повы ш енной температуре Тпв для
изотермного сжатия рабочего тела; qnH — теплота, подводимая к ц икл у при
п о н и ж е н н о й температуре Тпи для изотермного расш ирения рабочего тела; /и —
работа цикла, равная алгебраической сумме работ процессов 1—2 и 3 —4.
Т а к ка к |9лв| = |дпн| + |iu|, то
д= М
+ | »и| + | а ш | = 2|е| + 1,
1‘ц|
где е — холодильный коэф фициент.
Для обратимого цикла Карно
І9пв|
І9пн!
Tm \As\ _ Гпв
ТПН
Гпн|Д«|
таким образом, соотнош ение количества «теплоты» qnB и «холода» дПн, полу­
ченны х в таком цикле, находятся в зависимости от соотнош ения температур
Тпв и Гпн, что является недостатком совмещ енного цикла.
Осуществление обратного цикла для совместного получения теплоты и хо­
лода возм ожно при прим енении одного компрессора, сж им аю щ его один рабо­
чи й агент от давления, соответствующ его Гпн, до давления, соответствующ его
Гпв. О днако чаще прим еняю тся каскадные ц иклы , аналогичные ц икл у каскад­
ной холодильной установки (см. раздел 4.6.4). Подвод теплоты в н иж нем цикле
осуществляется на температурном уровне необходимого холода, отвод теплоты
в верхнем цикле — на температурном уровне потребляемой теплоты. Такие
установки целесообразно прим енять в биотехнологиях, в которы х обы чно до­
статочны < п н « -1 5 °С и «пв~+90°С . В ниж нем цикле в качестве рабочего агента
обычно применяется аммиак, в верхнем, например, R—142В, озонобезопасный
фреон, конденсирую щ ийся при температурах (8 5 ... 95) °С.
4.13. ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ
Производства, использую щ ие биотехнологии, в основном потребляют теп­
лоту при температурах Г пт ниже 150 °С (423 К ). Для получения теплоты с ж и ­
гается топливо, температура источн и ка теплоты Гит в таком случае составляет
около 2000 °С (2273 К ). Если считать, что теплота при передаче не теряется,
то эксергетический К П Д передачи теплоты равен отнош ен ию эксергетических
температурных ф ункц и й (см. формулы 2.35, 2.30, 2.28). П ри температуре о кр у ­
жающ ей среды Гос = 293 К
1_H
Ü5
% = ------- Щ - = 0,35.
1 ~ 2273
П ри нци пи ально возм ожно переносить теплоту с одного температурного уровня
Циклы: процессы п установки
❖
2J3
на другой практически без потерь работоспособности теплоты, исполыуя пря­
мой и обратный циклы. Рассмотрим такой перенос на примере циклов Карно.
При высокой температуре Тт за счет теплоты qm можно получить работу I. Для
прямого цикла Карно (см. формулу 4.2)
при этом часть теплоты:
будет отдана при температуре Тт потребителю теплоты. Если использовать
полученную работу в обратном цикле теплового насоса для переноса теплоты
с температурного уровня окружающей среды Тк на температурный уровень
потребителя Тт , то потребитель теплоты может получить (см. формулы 4.30 и
4.31):
Врезультате потребитель теплоты получит:
Qm — Qml + 9пт2-
Япт — ЯигТр
•* ИТ
^ 9ит
Г ж - Г ппт
Отношение
(4.37)
называется идеыъным коэффициентом преобразования теплоты.
При Тт = 423 К, Тт = 2273 К и Г к = 2ТЗ К, Ф = 2.8. Таким образом, в усло­
виях приведенного примера, потребитель теплоты может получить теплоты в
2.8 раза больше, чем при непосредственной передаче теплоты от источника
грплоты. Эксергетический КП Д соответственно возрастает также в 2.8 раза,
т.е. в рассматриваемом идеальном примере станет равен единице.
Рассмотренное устройство называется понижающим термотрансформато­
рам.
В том случае, если теплогу необходимо передавать потребителю от источ­
ника теплоты, когда Тт < Тт, следует использовать устройство, называемое
«ЯШшоцкм термотрансформатором В этом случае за счет части теплоты
214
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 4
источн и ка </ит, в прямом цикле получается работа I, при этом неиспользованная
теплота цж отводится в окруж аю щ ую среду при температуре Гос- Полученная
работа / затрачивается в тепловом насосе на то, чтобы преобразовать остав­
ш уюся часть теплоты q„n источн и ка и передать потребителю с температурой
Т т > Тт . Идеальный коэф ф ициент преобразования повыш аю щ его термотранс­
форматора
ф—
—
^ИТ
9пт
?ИТ1 + ?ИТ2
После преобразований, аналогичны х приведенным для п они ж аю щ его термот­
рансформатора, будет получено уравнение (4,37). О днако, так к а к у повы ш аю ­
щего термотрансформатора Гпт > Гит, то Ф < 1, следовательно qnT < qm .
ПРОМ ЫШ ЛЕННЫЕ
С П О С О Б Ы ПОЛУЧЕНИЯ
ТЕПЛОТЫ
И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ
ПРЕДПРИЯТИЙ
5.1. ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОТЫ
Основным источником используемой в промышлен­
ности энергии является топливо, как органическое, так
и ядерное. Почти вся получаемая при переработке топ­
лива энергия на первой стадии превращается в теплоту.
Этот проиесс осуществляется главным образом в котлоагрегатах, работающих на органическом топливе, а также
в топливных печах и в атомных реакторах.
Две трети полученной тепловой энергии используется
в форме теплоты без дальнейшего преобразования в другие
виды энергии. Одна четвертая часть — идет на получе­
ние электрической энергии, одна шестая часть полученной
электрической энергии вновь превращается в тепловую
энергию. Менее одной десятой части полученной тепло­
вой энергии используется в форме механической энергии
(двигатели внутреннего сгорания).
5.2. ТОПЛИВО
5 .2 .1 .
С о ста в и о с н о в н ы е хар а ктер и сти ки
топлива
Согласно определению Д. И. Менделеева, топливом
называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для
216
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
получения теплоты. Энергетическое топливо — это горючие вешества, ко­
торые экономически целесообразно сжигать в технических устройствах для
получения в промышленных целях больших количеств теплоты. Различает­
ся органическое и ялерное топливо. Органическое топливо выделяет теплоту
при химической реакции окисления кислородом. Ядерное топливо выделяет
теплоту в результате ядерной реакции деления. Органическое топливо быва­
ет твердое (каменный и бурый уголь, сланцы, торф и др.), жидкое (нефть,
мазут, газовый конденсат и др.) и газообразное (природный, попутный и др.
газы). Органическое топливо сжигается в естественном виде (кроме нефти).
Для получения ядерного топлива из урановой руды делаются специальные
тепловыделяющие элементы. Топливом могут служить также горючие отходы
химических производств.
Запасы уранового топлива, которые могут быть добыты при относительно
небольших затратах, в 4 раза больше запасов органического топлива. Запасов
угля в 4 раза больше, чем всех других видов органического топлива вместе
взятых, поэтому в настоящее время имеется тенденция все более широкого
использования угля. Прогнозируемые запасы топлива на земном шаре — 12000
млрд. тонн условного топлива, чего предположительно должно хватить на 130
лет. Поэтому перед человечеством стоит задача экономного расходования при­
родных запасов топлива и перехода на возобновляемые источники энергии.
Основой большинства видов органического топлива являются углерод (С)
и водород (Н). Также топливо может содержать: азот (N ), серу (S), кислород
(О), который в основном входит в состав влаги, обозначаемой W; различные
минеральные примеси, обозначаемые А. Органическая часть топлива, состоя­
щая из С, Н и S, называется горючей. Соединения серы и азота при горении
дают ядовитые оксиды: SO2 , S 03, NO и N 0 2. Азот, кислород, минеральные
примеси и вода называются балластом. Сумма горючей массы и балласта
составляет рабочую массу топлива, обозначаемую индексом «р». Содержание
горючих элементов в органическом топливе колеблется в широких пределах
и зависит от его вида.
Зольность — это массовая доля несгоревшего остатка топлива, который
при оплавлении дает шлак. Чем ниже зольность топлива, тем топливо лучше,
так как золу и шлак необходимо систематически удалять из топки. Зольность
сланцев достигает 60%, зольность газового топлива равна нулю.
Влажность — это массовая доля воды в топливе. Влажность торфа может
составлять 50%; каменный уголь, жидкое топливо имеют влажность менее 3%.
Летучие вещества топлива — это смесь горючих и негорючих газов (СО,
С 0 2, Н2, С Н 4 и др), которые выделяются из массы твердого топлива (в ос­
новном угля) при его нагревании от 110 до 1100°С без доступа воздуха. После
выделения всех летучих вешеств топливо превращается в кокс, содержащий до
90% углерода. Топливо с большим выходом летучих веществ лучше воспламе­
няется и горит (газовое топливо воспламеняется мгновенно).
Промыш \<-нныс способы п аи чен и я теплоты
0
217
5.2.2. Т е п л о т а с г о р а н и я т о п л и в а
Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 к г твердого или
жилкого топлива и 1 м3 газообразного топлива, называется удельной тепютой
сгорания тоіиива.
При сгорании 1 кг углерода выделяется 34 МДж теплоты, при сгорании ] кг
водорода выделяется 278 МДж, 1 к г серы — 9 МДж.
Различают высшую теплоту сгорания. <?£, и низшую теплоту теплоту сго­
рания, <j£. Высшей теплотой сгорания называется количество теплоты, выделя­
ющееся при сгорании топлива с учетом теплоты конденсации водяных паров,
образующихся при сгорании водорода Н и испарении влаги топлива W. Низшей
называется теплота сгорания топлива без учета теплоты конденсации азаги.
Максимальная ге плота сгорания твердых видов топлива доходит до
=
= 28М Дж/ кг, мазутов с/!’, = 39 М Д ж /к г . газов </£ = (4 ... 40) М Д ж /м
Теплоту сгорания м ожно приблизительно рассчитать, шая состав топлива
и теплоты сгорания ком понентов. Для сравнения эффективности различных
топлив пользуются понятием условного топлива, теплота сгорания которого
принимается равной 29.33М Д ж /к г (700п ккал/кг), что соответствует теплоте
сгорания хорошего малозольного сухого угля. Таким образом, тепловой экмвалент любого топлива выражается соотношением:
<5.1)
29.33
С помошьы теплового эквивалента расход сжигаемого топлива ( В) пересчи­
тывается на расход условного топлива (Вуп). единицами иімерения которого
является •тут*, что означает «тонн условного топлива»:
Вуо = ВЭ
(5.2)
Пример 5.1. Сравнить экономичность тошивных печей: одна uj них сжигает
' кг бурого уг.ы, другая — 0.16 кг ка.менного уг*ія для полууения 1 М Вт теп-юты.
Низшие теп.юты сгорания этих т олш в соответственно равны 14,5 и 16л МДж/кг
рабочей массы топ,іива.
Решение. Расход условного топлива рассчитывается по формулам (5.1) и
15.2):
В
= -&
29.33
Я™ печи, работающей на буром угле:
г
д
_ n 18 -14— = 0.089кг/М В т
29.33
- u' ls
Яля печи, работающей на каменном угле:
в
= 0 1 6 . 2 ^ 1 - 0.091 к г /М Вт.
Oyat
29 33
Следовательно, печь, работающая на буром угле, экономичнее, хотя сжигает
больше натурального топлива.
218
❖
5 .2 .3 .
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
П о д го то в ка о р га н и ч е с ко го то п л и в а к с ж и га н и ю
Твердое топливо в современных установках сжигается в виде пы ли, которая
вдувается в то почную камеру воздухом и во взвешенном состоянии сгорает в ее
объеме. Это камерный (факельный, вихревой) способ сж игания.
В пром ы ш ленны х котлах небольшой производительности твердое топливо
сж игаю т в объеме слоя, укладывая его на коло сни ков ую реш етку — слоевое
сжигание.
При камерном способе сж игания разгружаемое из вагонов топливо электро­
м агнитны м сепаратором очищается от металлического лома, дробится, а затем
размалывается до размера частиц (0 ,3 ... 0,5) мм и одновременно подсушивает­
ся, т. е. осуществляется процесс пъиеприготовления.
Газовое топливо перед сж иганием фильтруется, после этого его давление
понижается от (5...6 )Т 03 Па в магистральном трубопроводе до (0 ,8 ... 1,3)-105 Па
в горелке.
Ж идкое топливо (в основном мазут) фильтруется, подогревается (что с н и ­
жает его вязкость и облегчает распыл в ф орсунках) и насосами под давлением
до (3,5 .. .4,5) М П а подается на сжигание.
Зажигание горючей смеси происходит в то пке то поч ны м и газами, которые
имеют вы сокую температуру. Для растопки установки, работающей на твердом
топливе, используется газ или мазут. После того ка к то пка хорош о прогреется,
переходят на угольную пыль.
Горение органического топлива — это хим ическая реакция окисления го­
рю чих элементов, сопровождающаяся выделением теплоты. Окислителем яв­
ляется кислород воздуха. С корость реакции должна обеспечивать устойчивое
горение (очень быстрая реакция может привести к взрыву). Устойчивое го­
рение возможно при подаче топлива и окислителя в т о п ку в необходимом
соотнош ении. М аксимальное тепловыделение происходит при стехиометрическом соотнош ениии. Исходя из того, что в воздухе содержится 21% кислорода
и зная состав топлива, нетрудно рассчитать теоретически необходимое количе­
ство воздуха. В действительном процессе воздуха подается несколько больше.
О тнош ение действительного количества воздуха, подаваемого в то п ку , к те­
оретическом у называется коэффициентом избытка воздуха а ю. О н зависит от
выхода летучих вешеств, ко н стр укц и и то п ки , эф фективности перемешивания
топлива с воздухом и др.
В современных установках на твердом топливе а ш = 1 ,2 ... 1,25. Для устано­
вок на ж идком и газообразном топливе а ю = 1,0 5 ... 1,1.
В процессе горения образуются топочны е газы: окси д азота, ди оксид азота,
ди оксид серы, тр иокси д серы, водяной пар, углекислы й газ. П ри недостатке
кислорода возм ожно неполное сгорание углерода и образование угарного газа.
П ри недостаточной температуре горения частично остается м олекулярный азот
из топлива и воздуха. П ри сж иган и и газообразного топлива возможен выход
м олекулярного водорода и метана. П ри окислении водорода и испарении влаги
Промышленные способы получения теплоты
❖
219
топлива образуются водяные пары. При избытке воздуха в продуктах сгорания
остается молекулярный кислород.
Количество продуктов сгорания рассчитывается h î уравнения материаль­
ного баланса процесса горения. Так как топочная камера и гззоходы во время
работы находятся под разряжением, то может происходить подсос холодного
воздуха из окружающей среды в газовым тракт через различные неплотности.
В результате объем газообразных продуктов сгорания становится несколько
больше расчетного, что приводит к понижению температуры горения и КП Д
установки.
Зная объем воздуха и продуктов сгорания, можно определить их энтальпию:
н = Ц я *с + <«« - 1)Я Ы + н т ы,
гае У Н ,с — сумма энтальпий продуктов сгорания, Нк, — определяется по
справочным таблицам: (<>„ - 1)Я„, — энтальпия избыточного воздуха. Эн
талъпия гаювой смеси рассчитывается как сумма энтальпии входящих в нее
вешеств. Она нужна для составления теплового баланса процесса сгорания.
Топливо сжигается в топках промышленных печей и котельных агрегатов,
а также в камерах сгорания га ютурбинн ы\ установок, реактивных двигателей,
вдвигателях внутреннего сгорания и т.д., что не характерно для биотехнологий
Из всех образовавшихся продуктов горении безопасны для живого организ­
ма лишь водяные пары, молекулярные азот, водород и кислород, углекислый
газ. Остальные: оксиды серы, азота, угарный газ, сажа, юла, пятиокись ванадия
(образуется при сжигании мазутов) — токсичны. При взаимодействии триокси
и серы с атмосферной влагой образуются тысячи тонн в год серной кислоты,
выпадаюшеи в виде кислотных дождей. Кроме того, на горение органического
топлива расходуется огромное количество кислорода воздуха.
При «горении» ядерного топлива газообразные выбросы в атмосферу ра­
диоактивны, но доза облучения от них даже вблизи атомных электростанций
значительно ниже доз облучения от существующего природного радиоактив­
ного фона. Ж идкие радиоактивные отходы химически очищают, упаривают
(часто до сухого остатка), вводят в цементные или битумные растворы и по­
сле іатвердевания хранят в могильниках. В настоящее время электростанции.
Работающие на ялерном топливе, яапяются предприятиями, наименее загряз­
няющими окружаюшую среду. Однако после чернобыльской аварии некоторые
страны Западной Европы отказались от атомной энергетики.
5-2.4. Э к с е р г и я т о п л и в а
Основную долю эксергии топлива составляет его химическая эксергия.
^ьа равна работе, которую можно получить при обратимом переходе топлива
в продукты сгорания, а затем при переходе згих продуктов в состояние термо­
динамического равновесия с окружаюшей средой. В приближенных расчетах
220
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛО ТЕХ НИ КА
❖
Глава 5
вторую составляющую можно не учитывать, принимая химическую эксергию
топлива равной той химической энергии, которая выделяется при реакции
горения, т. е. высшей теплоте сгорания топлива. Для ряда газообразных и жид­
ких органических веществ рассчитано отношение химической эксергии к их
высшей теплоте сгорания. Приняв усредненные значения этих отношений,
можно ориентировочно рассчитывать эксергию любого топлива [3,44]:
• жидкого топлива, в молекуле которого содержится более одного атома
углерода:
еж иО,975?Р;
(5.3)
• газообразного топлива, в молекуле которого содержится более одного
атома углерода:
ег « 0 ,9 5 9Р;
(5.4)
етв «а 1,089Р;
(5.5)
етв«(1,15...1,2)?Р;
(5.6)
етв « 1,06дР.
(5.7)
• каменного угля:
• бурого угля:
• кокса:
Более точные методы расчета эксергии топлив, а также дымовых газов, даны
в книге [46].
Эксергетический К П Д топливоиспользующих установок рассмотрен в раз­
деле 5.3.9.
5.3. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ
ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЕ УСТАНОВКИ
В высокотемпературных теплотехнических установках используются следу­
ющие источники энергии: топливо и его продукты горения, электроэнергия.
Получаемая теплота либо сразу используется в печах для осуществления
технологических процессов, либо используется для нагрева промежуточных
теплоносителей, которыми могут быть различные вещества в жидком или
парообразном состоянии. Если теплоноситель получается в виде пара, то энер­
гетическое устройство называется парогенератором. Парогенераторы для по­
лучения водяного пара называются котлоагрегатами или паровыми копыами.
В жидкостных теплогенераторах происходит нагрев теплоносителей без их
испарения. Теплогенераторы для воды называются водогрейными агрегатами.
Простейшая тепловая схема высокотемпературной теплотехнической уста­
новки не предусматривает использование тепловых отходов, имеет низкий
К П Д , повышенные тепловые и вредные технологические выбросы в окружаю­
щую среду.
Промышленные способы получения теплоты
221
В общем случае теп.ювые отходы включают теплоту отходящих газов, теп­
лоту технологической продукции и сопутствующ их технологических отходов.
К тепловым отходам относятся также тепловые п отоки через теплоизоляцию
установки. Целесообразно создавать схемы установок с внутренним и внешним
использованием тепловых отходов. Схемы с внутренним геплоиспользованием могут иметь вы сокий К П Д топливоиспользования только при глубокой
рекуперации теплоты: нагрев исходных материалов, нагрев ком понентов го­
рения (топлива и воздуха), эндотермическая обработка топлива (химическая
регенерация). В схемах с внеш ним теллоиспользованием недоиспользованные
после рекуперации отходы теплоты направляются на производство другой тех­
нологической или энергетической продукции. При этом элементы установок
внешнего теплоиспользования могут пристраиваться к основной установке или
же органически встраиваться в нее (см. главу 6).
5 .3 .1 .
П ечи х и м и ч е с ко й те х н о л о ги и
Некоторые ф изико-хим ические процессы в биотехнологических производ­
ствах осуществляются при вы соких (1000...1800) °С или средних (300...1000) °С
температурах в печах различных кон стр укций .
Печи — устройства, предназначенные для получения продукта или полу­
продукта с необходимыми ф изи ко-хим ическим и свойствами путем обработки
исходных
материалов при вы соких температурах.
В биотехнологиях печи используются не только для проведения хим ических
процессов при вы соких температурах, например в производстве дикетена. но
и для обжига ампул, обжига эмалевых покры ти й, для регенерации керами­
ческих фильтров, для некоторых суш ильных процессов, например для суш ки
мицелиальных отходов с целью их утилизации.
К л асси ф и кац и я печей
По способу энергоснабжения (по виду источника теплоты) печи подразде­
ляются на топливные и электрические (сопротивления, дуговые, и н д укц ион ­
ные, контактны е, инфракрасные, ультравысокочастотные и др.).
Печи подразделяются на непрерывно и периодически действующие. В пе­
риодически действующ их печах подлежащие высокотемпературной обработке
объекты загружаются в холодную печь, нагреваются до заданной температуры
и обрабатываются необходимое время, после чего охлаждаются и выгружаются.
В непрерывно действующ их печах предусматриваются непрерывные загрузка,
обработка и выгрузка.
По температурному уровню печи бывают низкотемпературные — с тем­
пературой газов в рабочем пространстве до 1000 °С, высокотемпературные —
свыше 1000 °С.
222
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
П о организации теплообмена (по способу подвода тепла к материалу) раз­
личаю т печи непосредственного нагрева (пламенные, конта ктны е) и косвенно­
го нагрева. В печах непосредственного нагрева происходит непосредственный
ко н та кт горячих продуктов сгорания и самого факела с обрабатываемыми
объектами. В печах косвенного нагрева теплопередача целиком или частично
осуществляется через стенку во избежание загрязнений объектов, хим ических
взаимодействий с продуктами горения топлива (например в муфельных печах).
П ри использовании печны х установок возможно проводить процессы при
температурах до 2000 °С п ракти чески при атмосферном давлении. С другой сто­
роны , имеет место трудность регулирования температуры и большие перепады
температур, к а к между топочны м и газами и обрабатываемыми объектами, так
и в объеме печной камеры, н и з ки й коэф ф ициент теплоотдачи от то почны х
газов к объектам, быстрое охлаждение то поч ны х газов из-за их н и зко й тепло­
емкости.
У с тр о й с тв о п р о м ы ш л е н н о й печи
Печи являются слож ны м и установками по ко н с тр у кц и и и по осуществле­
ни ю процессов получения теплоты и ее использования для проведения техно­
логического процесса в заданном режиме. Существует множество ко н стр укц и й
печей: трубчатые, с вращающимся барабаном, с псевдоожиженны м (ки п я щ и м )
слоем, шахтные, камерные, подовые, туннельные, ванные и др. О днако л ю ­
бая схема печной установки включает элементы, изображенные на рис. 5-1:
Т К — топочная камера для сж игания топлива или агрегаты для превращения
электрической энергии в тепловую; П — рабочее пространство печи для вы­
полнения целевого те хнологического процесса; ОБ — объекты или материалы,
подвергаемые термической обработке; ТР — теплообменные устройства для
рекуперации теплоты дымовых газов, например для подогрева воздуха; У Т —
утилизационны е установки (например, котел для получения горячей воды или
водяного пара) для использования теплоты уходящих газов; 3J1 — очиститель­
ные устройства (золоуловители, фильтры и т. п .); Д М — дымосос для удаления
продуктов сгорания топлива и газообразных продуктов термической обработки
Промышленные способы получения теплоты
❖
223
объектов; Д — дымовая труба; Н — насос утилизационной установки; В —
вентилятор для подачи воздуха к горелкам и в рабочее пространство печи.
I — подача топлива; 2
воздух, нагретый в ТР, необходимый для горения
топлива; 3 — топочные газы; 4 — воздух для создания в рабочем простран­
стве печи требуемой газовой среды 5; 6 — отработанные уходящие газы; 7 —
атмосферный воздух; 8 — нагретый в УТ теплоноситель; 9 — удаление золы
и шлака; 1 0 — газы, выбрасываемые в атмосферу. На рисунке не изображены
приборы для управления гидравлическим режимом печи (шиберы, задвижки
и прочее): механизмы для загрузки, выгрузки и перемещения материала в печи:
контрольно-измерительная и регулирующая аппаратура.
Процессы в п е ч а х
Основное требование к процессу в топке печи — полное сгорание топлива
при минимальном избытке воздуха с обеспечением непрерывного удаления
продуктов горения. При опасности окисления обрабатываемых объектов (ма­
териалов) горение ведут при недостатке воздуха, с тем. чтобы получить газы —
восстановители.
Тепловой и температурный режимы в рабочем пространстве печи зависят от
движения газов и лучеиспускания факела горящего топлива и стенок топочного
устройства, от конструкции печи.
Теплообмен в рабочем пространстве печи разделяется на внеш ний — от
газов и стенок к объектам (излучением и конвекцией) и внутренний — от
поверхности объекта в его объем (теплопроводностью).
Движение газов в печах бывает свободным и вынужденным (с помощью
вентилятора). В процессе движения газы должны равномерно заполнять все
рабочее пространство печи, недопустимо образование зон застоя — газовых
мешков.
Для поддержания определенных температур и давлений служит автомати­
ческое регулирование подачи топлива 1. потоков воздуха 2 и 4 (дутья), отсоса
газов 6 (тяги) и т. п.: или выключение установки в аварийных ситуациях.
Энергетическая эффективность печей
Тепловой баланс печи, как и любой теплопотребляюшей установки, при­
равнивает статьи прихода теплоты £ Q npm к статьям расхода теплоты ]TQpacv;
Qnpnx —^ ' QрасхСтатьи прихода включают в себя теплоту: Qi — сгорания топлива; Q i — вно­
симую в печь с топливом; Qs — вносимую в печь с воздухом; Q \
вносимую
в печь с исходным сырьем; Q — теплоту экзотермических реакций.
Статьи расхода включают в себя теплоту: Qa — эндотермических реакций.
Qv — выносимую из печи с готовым продуктом; Qa — выносимую из печи
224
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
с отходящими газами; Q9 — выносимую из печи с водяными парами; <3к> — вы­
носимую из печи с мелкими частицами продукта, увлекаемыми газами; Q n —
выносимую со шлаками; Ql2 — потери теплоты от химической неполноты
сгорания топлива; Q i3 — потери теплоты от механической неполноты сгорания
топлива; Q lt — потери теплоты в окружающую среду от наружного охлаждения,
которые могут составлять от 10 до 25% от ]Г Q npm.
Эффективность работы печи оценивается термическим КПД:
_
1
Qполезное _
Опрюс
~
+ Qa
<?1 + <?2 + <3з + Qi
Термический КПД промышленных печей обычно не превышает (20...25)%,
а доля потребляемого ими топлива достигает (10 .. 12 )%. Естественно, что для
увеличения КПД необходимо уменьшить £?8. <2ss, Qio, Q n , Q 1 2 , Q n , Q u или
же утилизировать эти теплоты. Способы утилизации Q 8 и Q9 рассмотрены
в разделе 6.3.1.
Эксергетический анализ процессов при горении топлива и использовании
получаемой теплоты дан в разделе 5.3.9.
5.3.2. Топливные водяные парогенераторы
Парогенератором называется энергетическое устройство для получения па­
ра заданного давления и температуры и в заданном количестве. Это устройство
называется котлоагрегатом или паровым котлом, если в нем производится
генерация водяного пара.
Водяной пар применяется в технологических процессах как теплоноситель
для нагревания, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.; а также для отопления
и горячего водоснабжения.
В зависимости от производительности различаются котельные установки
малой (до 2 0 т/ч), средней (от 20 до 75т/ч) и большой (свыше 75 тонн пара
в час) паропроизводительности.
По давлению получаемого пара различаются установки низкого (до 3 М Па),
среднего (3...7,5 М Па), высокого (10 ..15М Па), сверхвысокого (1 5 ...2 2 ,5 М Па)
и сверхкритического (более 22,5 М Па) давлений.
Котлоагрегаты малой производительности используются в отопительных
котельных; средней производительности — в промыш ленных котельных; боль­
шой паропроизводительности — на тепловых электростанциях (ТЭЦ и КЭС).
Схема котельного агрегата экранного типа с естественной циркуляцией,
имеющего факельную топку для сжигания каменноугольной пыли представле­
на на рис 5-2. Здесь Т К — топочная камера; ЭТ — экранные трубы, плотно
располож енны е друг к другу внутри ТК и образующие практически сплош ­
ную поверхность нагрева; ОТ — опускные трубы для воды, расположенные
снаружи ТК; Б — барабан котла; ПП — пароперегреватель; ЭМ — водяной
Промышленные способы получения теплоты
О
225
экономайзер: ГВ — воздухоподогреватель: Д — дымовая труба; ДМ — дымосос: П — золоулавитель; Н — насос: В — вентилятор; КЛ — коллекторы;
ГР - горелки. В топочную камеру подается топливо / и окислитель 2 (ча­
ше всего воздух (Температура газов 3 в топочной камере обычно составляет
1600...1800) °С.
В котельном агрегате происходит непрерывная циркуляция воды и па­
роводяной смеси. При кипении воды в обогреваемых экранных трубах ЭТ
образуется пароводяная смесь 4. которая поднимается по экранным трубам ЭТ
* барабан Б, здесь пар 6 отделяется от воды, вода 5 стекает вниз в коллектор по
Htобогреваемым, но хорошо теплоизолированным опускным трубам ОТ. Таким
образом, происходит естественная циркуляция, при которой скорость воды
“ лааляет (0,5... 1,5) м/с. Опускные и экранные трубы соединены коллектоКЛ, представляющим собой грубу большого диаметра, расположенную
псРпендикулярно к соединяемым ею трубам. Экранные кипятильные трубы
"Миг внутренний диаметр (40.. .60) мм, а расстояние между ними составляет
-б)мм, они образуют экранную поверхность нагрева, которая получает
тспло за счет излучения от факела горяшего топлива.
В пароперегревателе ПП насыщ енный пар 6 перегревается до заданной
«мпературы, которая может достигать (4 0 0 .. бООрС. Перегрев пара осущеяаляется Дымовыми газами которые здесь охлаждаются от (900. . 1200) С до
НЮ...500) -с. Скорость пара в трубах ПП составляет (2 0 .. 25) м/с, диаметр труб
226
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава 5
(2 2 ... 54) мм. Пар 7 подается потребителю. П овышение температуры пара ведет
к повыш ению экономичности установки в целом.
В эконом айзере ЭМ питательная вода 8 подогревается до 220“С (во всех
конструкциях), а дымовые газы охлаждаются до (300.. .400) °С. Вода движется
снизу вверх для удаления газовых и паровых пузырей. Расход питательной
воды равен паропроизводительности установки. Д иаметр труб экономайзера
составляет (28...38) мм, скорость воды в трубах (0 ,5 ... 1) м /с.
В воздухоподогревателе ГВ воздух, подаваемый на сжигание топлива и на
подсушку топлива, подогревается до (250.. .420) °С. Дымовые газы проходят
со скоростью ( 9 ... 13) м /с по трубам воздухоподогревателя и охлаждаются до
температуры (1 1 0 ... 160) °С (что выше точки росы), диаметр труб (30.. .40) мм.
С корость воздуха в межтрубном пространстве ГВ (6 . . . 9 ) м /с. (Котлоагрегаты
малой мощности не имеют воздухоподогревателя).
Газы 9 уносят до 8 0 .. .90% золы при сж игании твердого топлива, поэтому
перед выбросом дымовых газов в атмосферу устанавливаются золоуловители
3JT, которые включают циклоны, батарейные циклоны , центробежные скруббе­
ры, электрофильтры и др. Содержание вредных примесей в воздухе не должно
превышать предельно допустимых концентраций (П Д К ). Наличие 3Л является
активным методом снижения количества вредных выбросов. П ассивным мето­
дом является установка дымососа ДМ и дымовой трубы Д высотой ( 2 5 ... 300) м,
что позволяет рассеять вредные вещества над больш ой территорией, уменьш ав
их концентрацию ниже предельно допустимой.
Д ля предотвращения образования накипи внутри кипятильных труб в ко­
тельный агрегат подается вода, очищ енная от механических примесей и на­
кипеобразующих солей, а также от газов. Подготовка воды осуществляется
в специальном цехе. Для сниж ения затрат на водоподготовку необходимо
возвращать конденсат после использования теплоты пара, и только потери
конденсата восполнять свежей химически очищ енной водой.
Несмотря на подготовку воды, в ней остается некоторое количество при­
месей, поэтому внутри барабана устанавливаются различные устройства для
механической сепарации капелек влаги с целью предотвращения отложения
солей в трубах пароперегревателя.
Д ля того, чтобы в циркулирующей по трубам воде не повышалась концен­
трация солей (по мере удаления пара) эту воду частично (на 0 ,5 ... 5%) заменяют
свежей питательной водой. Этот процесс называется продувкой. Продувка бара­
бана осуществляется непрерывно, коллекторов — периодически. Для удаления
оставшихся в питательной воде солей жесткости применяется внутрикотловая
обработка воды фосфатами, при которой соли переводятся в рыхлый осадок
(шлам), также периодически удаляемый продувкой.
В современных котлах количество воды, превращ аю щейся в пар при одно­
кратном прохождении через циркуляционный контур составляет от 3 до 2 0 %.
О тнош ение расхода циркулирующ ей воды т в к количеству образовавшегося
Промышленные способы получения теплоты
О
227
Рис. 5-3. Прямоточный котельный агрегат.
в единицу времени пара т п называется кратностью циркуляции.
п = ^ .
Шп
Для котлов с естественной циркуляцией П = 1 0 ...6 0 и выше. Котлоагрегаты с естественной циркуляцией вырабатывают перегретый пар давлением до
19МПа.
При принудительной циркуляции с помошью специального насоса П =
= 5... 10.
Разделить воду и пар в барабане можно только при давлении р меньше
критического рк. Поэтому установки с барабанами работают при р < рк, обычно
ПРИ р < ІбМ П а. (рк = 22.П о М П а tK =37-1.12"С. см. раздел 1.2). Пар закритических параметров получают в прямоточных котельных установках, где дав­
ление получаемого пара составляет 25,5МПа. Схема прямоточного котельного
агрегата представлена на р и с .5-3. Вода I, подаваемая насосом Н. нагревается
в экономайзере ЭМ и через коллектор KJ1 поступает в экранные трубы ЭТ,
опоясывающие топочную камеру Т К по кругу. Влажный пар 2 подается в змее­
виковые трубы переходной зоны ПЗ, затем в верхнюю часть топочной камеры
и в пароперегреватель П П. Перегретый пар 3 поступает потребителю.
С повышением давления пара уменьшается теплота парообразования и воз­
растает энтальпия воды и теплота перегрева пара, поэтому в котлоагрегатах
228
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
высокого давления увеличиваются поверхности водяного экономайзера ЭМ
и пароперегревателя П П, одновременно снижается испарительная поверхность
нагрева ЭТ.
Промыш ленность выпускает котлы с принудительной (прямоточные), есте­
ственной (барабанные) и комбинированной циркуляцией, основные парамет­
ры которых стандартизированы [ГОСТ 3619-76].
Тепловой баланс котлоагрегата
Тепловой баланс котлоагрегата составляется на 1 кг твердого (жидкого)
топлива и на 1 м 3 газообразного топлива:
9 =
Чі
+ 92 + 9з + 94 + 95 +
,
где q — располагаемая теплота от сж игания топлива; qi — полезно исполь­
зованная теплота; 92 — потери теплоты с уходящими газами; 93 — потери
от химической неполноты сгорания топлива; q4 — потери от механического
недожога; 95 — потери теплоты в окружающую среду; qs — потери теплоты
с ф изическим теплом шлаков.
Располагаемая теплота для твердого и жидкого топлива:
9 = 9Й + 9ш + 9т„ + 9рЛ - 9кб;
для газообразного топлива:
9 = 9н + 9аз + 9тп + 9рп>
где
— низшая теплота сгорания рабочей массы твердого или жидкого топ­
лива; 9fi — низшая теплота сгорания сухой массы газообразного топлива; qns —
теплота вносимая с воздухом; 9ТП — ф изическая теплота топлива; црп — теплота,
вносимая с паром для распыления топлива; qK6 — теплота, затраченная на
разложение карбонатов при сжигании сланцев.
П олезноиспользуемая теплота qi — это теплота, потребляемая на производ­
ство пара, и теплота, отводимая с продувочной водой:
9l = "g ^ТПпп
— ^ вп)
JoJj(^DK — ^ в п )| +
т п(Һп — /іВл ) |
1
где В — расход топлива, кг/с; т пп и т п — расходы перегретого и насыщ енного
(если он отпускается из барабана) пара, кг/с; /гпп и һ„, /»вп и һвк — энтальпии
перегретого и насыщ енного пара, воды питательной и котловой, кД ж/кг; д —
величина непрерывной продувки, в % от т пп и т п.
К оэфф ициент полезного действия котлоагрегата:
обычно он составляет (90...94)% для котлоагрегатов большой паропроизводи­
тельности и (70...80)% для котлоагрегатов малой паропроизводительности. Чем
выше давление получаемого пара, тем выше КПД котлоагрегата.
Промышленные способы получения теплоты
❖
229
Рис. 5-4. Котел-утилизатор
5.3.3. Котлы-утилизаторы
Для использования теплоты отходящих газов технологических установок,
теплоты технологической продукции, шлаковых отходов и пр. применяются
котлы-утилизаторы (КУ). Работа котлов-утилизаторов и их отключение прак­
тически не оказывает влияния на основной технологический процесс. Обычно
КУ вырабатывают пар. Их конструкция определяется особенностью используе­
мых тепловых отходов. Если используются газы с температурой больше 1000°С,
котел снабжают экранными трубами, которые имеют такую же компоновку,
как и в обычном паровом котле. Может отсутствовать воздухоподогреватель,
если нет необходимости в горячем воздухе. По аналогии с котельными уста­
новками, камера, в которой расположены экранные трубы, называется топ­
кой. Она имеет большой свободный проем, необходимый для затвердевания
уносимых из технологического агрегата расплавленных частиц шлака или тех­
нологического продукта. Это позволяет избежать прилипания частиц и их
затвердевания на поверхности холодных змеевиков.
Если отходяший из технологических установок газ не содержит горючих
компонентов, то котел-утилизатор не оснащается горелочными устройствами.
При наличии горючих газов организуется их предварительное сжигание.
При температуре газов ниже 900 °С в КУ используются только конвектив­
ные поверхности нагрева, которые выполняются целиком из змеевиков. Схема
230
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава 5
такого КУ изображена на рис. 5*4. Насосом H 1 питательная вода I подается
в эконом айзер ЭМ , а после него в барабан Б. По опускным трубам ОТ с помо­
щью насоса Н2 вода проходит в экранны е трубы ЭТ, где она закипает. Влажный
пар увеличивает свою степень сухости в переходной зоне П З и поступает
в барабан Б, где насыщ енны й пар 3 отделяется от жидкости. П ройдя через
пароперегреватель П П , перегретый пар 4 уходит к потребителю. 5 — поток
горячих газов от технологических установок, подаваемый в топочную камеру
ТК; 6 — поток остывших газов.
П ромыш ленностью выпускаются униф ицированны е КУ, однако они не
находят применения на предприятиях биотехнологического профиля.
5.3.4. Топливные парогенераторы ВОТ
Кроме водяного пара в качестве промежуточных теплоносителей исполь­
зуются пары высококипящ их (высокотемпературных) органических теплоно­
сителей (ВОТ), например, м оноизопропилдифенила, диф енильной смеси. Для
получения их в парообразном состоянии необходимо специальное оборудова­
ние, так как теплоты их парообразования примерно в 9 раз меньш е, чем у воды.
Топливные парогенераторы ВОТ имеют тепловую мощ ность от 0,2 до
8 ,7 МВт, температура получаемых паров от 260 до 380°С, давление от 0,1 до
0,8 М Па.
Топливные парогенераторы представляют собой вертикальнотрубные ради­
ационны е котлы коробчатого типа с естественной циркуляцией теплоносителя;
состоят из верхнего и ниж него барабанов, коллекторов, труб радиационной
и конвективной поверхностей нагрева и опускных труб. Эти котлы работают
на газовом или жидком топливе.
На предприятиях биотехнологического профиля обычно используются па­
рогенераторы ВОТ с электронагревом.
5.3.5. Парогенераторы ВОТ с электрообогревом
Парогенераторы ВОТ с электрообогревом выпускаются мощ ностью от 54
до ЗООкВт. Схема парогенератора с элекгрообогревом изображена на р и с .5-5.
Парогенератор представляет собой цилиндрическую горизонтальную емкость
1 с сухопарником 5 для отделения пара от капель жидкости. Внутри емкости
смонтирован пакет трубчатых электронагревателей 2\ 3 — штуцер для предохра­
нительного клапана, 4 — паровой штуцер, 6 — питательный штуцер, 7 — слив­
ной штуцер. Кипение теплоносителя осуществляется в большом объеме (от 1 до
6 м3). Рабочее давление составляет (0 ,3 ... 0,4) М Па, температура 3 3 0 ...3 5 0 °С.
Промышленные гпогоііы п а и
ч с н п я г с п .и п ы
О
231
Рис. 5-5. Парогенератор ВОТ с электрообогревом
5.3.6. Водогрейные агрегаты
Водогрейные агрегаты обычно используются для нагрева воды не более чем
зо 100°С, хотя перегретая вода может иметь более высокую температуру, если
ее давление будет превышать атмосферное. При давлении I МПа температура
насыщения воды 179.88°С (см. прил. 2).
Коэффициент теплоотдачи воды значительно ниже, чем у водяного пара,
поэтому' вода используется для «мягких» условий нагрева.
Горячая вода получается: в водогрейных котлах, обогреваемых топочными
газами; в паровых водонагревателях (бойлерах): в электрических и электрод­
ных водонагревателях. В качестве горячей ноты используется также конденсат
водяного пара.
Водогрейные котлы чаше всего используются в целях получения горячей
воды для отопления. Они могут работать на любом топливе. Воду дня теп­
ловой сети в котлах подогревают от 170. . . 104) до
.. .200) ■С. Во избе­
жание конденсации водяных паров из уходящих дымовых газов и связанной
с этим наружной коррозии поверхностей нагрева, температура воды на входе
• агрегат должна быть выше точки росы для продуктов сгорания, выше 60°С
при работе на природном газе: выше 70°С при работе на малосернистом
чазуте: выше 1 ]0 :С при высокосернистом мазуте. Если температура воды
на входе ниже вышеуказанных температур, то к ней подмешивают нагретую
в котле воду.
Водогрейные котлы (как и паровые) обычно имеют П-образную компоновТ- Горение топлива происходит в топочной камере, экранированной трубами.
Конвективную поверхность нагрева делают из U -образных труб.
Иодоподо^реватс.іи (бойлеры) по конструктивному исполнению подразделя­
йся на скоростные и емкостные, по характеру теплоносителя
на вод о водя иые, где греющей средой является вода, и пароводяные, где греюшей средой
*мяется пар.
Скоростные секционные волоподогреватели, в зависимости от требуемого
количества горячей воды и степени ее нагрева собираются из отдельных секций
1180
232
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
с последовательным и параллельно-последовательным соединением. Каждая
секция по существу является горизонтальным кожухотрубным теплообм енни­
ком. С екции соединяю тся крутоизогнутыми калачами, диаметр которых равен
диаметру кожуха В настоящ ее время все шире применяю тся пластинчатые
водоподогревател и .
Емкостные горизонтальные пароводяные подогреватели предназначены для
систем горячего водоснабжения с периодическим разбором воды. Рабочая ем­
кость имеет в нижней части змеевики, в которые подается пар.
Горячую воду для технических целей получают непосредственно у теплоиспользуюш его оборудования при смеш ении водяного пара и холодной воды
(см. пример 2 .8 ).
5.3.7. Топливные теплогенераторы ВОТ
Ж идкие высокотемпературные органические теплоносители, которыми
служат глицерин, диф енил, дитолилметан, м оноизопропилдифенил, диф енильная смесь и др. применяю тся при атмосферном давлении при температурах
от 150 до 350 °С. Схема вертикального теплогенератора, который может
служить для нагрева ВОТ, приведена на рис. 5-6. В топочной камере ТК
Рис. 5-6. Топливный теплогенератор ВОТ
Промышленные способы получения теплоты
❖
233
расположены горелки ГР, куда подается газообразное топливо 4 и воздух
j для его горения. Радиационная поверхность нагрева выполнена в виде
змеевика с плотной навивкой, представляющего собой экранные трубы ЭТ.
Конвективная поверхность нагрева ЭМ является фактически экономайзером
(по апологии с водяным парогенератором) и представляет собой параллельно
включенные змеевики, объединенные входными и выходными коллекторами
КЛ. Над конвективной поверхностью имеется воздухоподогреватель ГВ,
в вертикальных трубах которого движутся дымовые газы, а в межтрубном
пространстве — воздух 5. Теплоноситель I подается в конвективную часть
теплогенератора, а после нагрева в ней — в радиационную часть (в экранные
трубы ЭТ). Вокруг горелки ГР расположены сопла СО для подачи воздуха
в топочную камеру ТК с целью разбавления продуктов сгорания для снижения
их температуры до допустимой: 3 — смесь продуктов сгорания топлива
и воздуха. 2 — поток горячего ВОТ к потребителю теплоты.
При эксплуатации теплогенераторов ВОТ следует учитывать, что проис­
ходит постепенное термическое разложение теплоносителей, особенно при
соприкосновении их с горячей поверхностью стенок экранных труб, при этом
образуются кокс и ли пузырьки газов, что ухудшает теплообмен. Поэтому мак­
симальная температура стенки не должна превышать температуру нагретого
теплоносителя более чем на 20 К. Следует также осуществлять постоянный
контроль качества теплоносителя и при необходимости его замену.
Имеются и другие конструкции теплогенераторов ВОТ, используемые
в промышленности.
5.3,8. Теплогенераторы ВОТ с электрообогревом
Теплогенераторы ВОТ с электрообогревом выпускаются одно-, двухи трехсекционными агрегатами, которые собираются из последовательно
включенных секций; мощность каждой секции может составлять 48, 64,
126, 168кВт. Таким образом, теплогенераторы, укомплектованные секциями
одинаковой мощности, отличаются друг от друга только высотой. Суммарная
мощность может достигать 504кВт (3 секции по 168 кВт). Максимальное
рабочее давление 1 МПа. М аксимальная температура 350 С. Емкость 0,2, 0,4,
1,0; 1,5 м3.
Схема двухсекционного теплогенератора изображена на рис. 5-7. Нагрева­
емый теплоноситель подается через штуцер 2, протекает между трубчатыми
электронагревателями /, поступает через штуцера 5 в вышерасположенную
секцию и подается потребителю через штуцер 8. Для турбулизации движения
теплоносителя имеются межтрубные перегородки 3. Пакет трубчатых электро­
нагревателей подсоединяется к клеммной коробке 6 , 7 — штуцер для предо
хранительного клапана; 4 — сливной штуиер.
234
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
Рис. 5-7. Теплогенератор ВОТ с электрообогревом
5.3.9. Эксергетический анализ топливоиспользующих
установок
Эксергетический анализ топливоиспользую ших установок проводится на
основе материального и энергетического балансов. На рис. 5-8 изображена
схема преобразования эксергии в таких установках. В установку поступает
топливо с эксергией Ет и окислитель с эксергией Еок. Их суммарная эксергия
E i = ЕТп + Е,ж. Топливо и окислитель перед сж иганием могут подогреваться
в подогревателе Г за счет части эксергии Еъ продуктов сгорания. В результате
Е2 = Ei + Еь - Dr, где D, — потери эксергии в процессе теплообмена в подо­
гревателе Г. Далее при горении топлива эксергия Е 2 превращ ается в эксергию
продуктов сгорания Е 3. Во многих технических задачах рассматривается только
термомеханическая эксергия или даже только ее термическая составляющая,
т.е. пренебрегают химической эксергией продуктов сгорания. Более точно эк-
Рис. 5-8. Преобразование эксергии в топливоиспользующих установках.
Промышленные способы получения теплоты
235
сергия продуктов сгорания определяется как сумма эксергий потоков веществ,
полученных при сгорании топлива (3). Потери эксергии при горении топлива
составляют Д-р. В результате Е 3 = Е? - Д р. Эксергия продуктов сгорания ис­
пользуется в топливной камере ТК. либо парогенератора, либо теплогенератора,
либо печи (либо в газовой турбине, что здесь не рассматривается). При этом
потери эксергии D jx зависят, в основном, от разницы температур продуктов
сгорания топлива и получаемого продукта (пара, жидкости или материалов,
подвергаемых термической обработке в печи). Чем меньше эта разница тем­
ператур, тем меньше Dт*. Суммарная эксергия остывших продуктов сгорания
и полученного продукта составляет Е , = Е , - Д к. Часть (£ 3) эксергии Д
может использоваться в подогревателе Г (или в других теплоиспользующих
установках), часть (Е ь = Д * ) выбрасывается в окружающую среду вместе
с продуктами сгорания, часть £ 7 в виде полученного продукта поступает на
дальнейшее использование.
Эксергетический КПД процесса горения.
_ Е>
- £ з.
его величина изменяется от 0,45 для промышленных котельных и печей до 0,7
для современных парогенераторов. Потерн эксергии при горении состоят из
потерь, связанных с механическим и химическим недожогом, потерь в окру­
жающую среду и потерь вследствие необратимости реакций горения; последние
являются основными и уменьшаются при увеличении температуры горения.
Эксергетический КПД всей установки:
Е7
Vf ~ £ т„ + Еж + £„х ’
где Еы — эксергия поступающих в установку потоков воды, других жидко­
стей, обрабатываемых материалов и т. п. Эксергетический КПД, например,
котельных установок низкого и среднего давления с температурой получаемого
пара от 175 до 440 °С составляет (2 0 ... 35)%. Таким образом, непосредственное
получение теплоты низкого потенциала путем использования топлива характе­
ризуется низкой термодинамической эффективностью, и чем ниже температура
получаемого продукта, тем меньше КПД.
Пример 5.2. Парогенератор вырабатывает 6,5 т /ч водяного пара давлением 2 МПа
с температурой 370 °С. Вода поступает с температурой 30 С. Высшая теплота
Урания каменного угля 21,4 МДж /кг, температура горения 1100°С. Расход топ­
лива т кг/ч, тепловой КПД парогенератора 91%. Рассчитать потери эксергии
« парогенераторе, в том числе за счет потерь теплоты в окружающую среду и за
«ет термодинамического несовершенства процесса, а также эксергетический
КЛД- Параметры окружающей среды t„ = 10 °С, рт = ЮйкПа.
Решение. Параметры пара при давлении р„ = 2 МПа и температуре t„ ' 70°С: энтальпия К = 3181.8 кД ж /кг, энтропия *„ = 7,028 кДжДкг-К). Па-
236
О
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
раметры воды при рв = р„ = 2 М П а и tB = 3 0 °С: һв = 127,5кД ж /кг; sB =
= 0,436 кД ж Д кг-К). П араметры воды при Рос = ЮОкПа и foe = 10°С: hoc =
= 42,1 кД ж /кг, «ос = 0,151 кД ж /(кг-К) (см. прид. 3).
Удельная эксергия потока воды, поступающей в парогенератор, рассчиты­
вается по формуле (2.12):
ев = (127,5 - 42,1) - (273 + 10) • (0,436 - 0,151) = 4,745 кДж/кг.
Общая эксергия потока воды при расходе воды, равном расходу получаемого
пара, гпв = т п, рассчитывается по формуле (2.13):
Е в = 6500 ■4,745 = 30842 қД ж /ч = 8,6 кВт.
В парогенератор поступает также твердое топливо, его удельная эксергия со­
гласно формуле (5.5) составляет:
етв = 1,08 ■21,4 = 23,1 М Д ж/кг.
Общая эксергия топлива по формуле (2.13):
Ет = 844 • 23.1 = 19496,4 М Д ж /ч = 5415,4 кВт.
Эксергия окислителя, в данном случае воздуха, Еок = 0, так как воздух посту­
пает из атмосферы.
Удельная эксергия выходящего из парогенератора потока пара рассчитыва­
ется по формуле (2.12):
еп = (3181,8 - 42,1) - (273 + 10) • (7,28 - 0,151) = 1193,5 кДж/кг.
Общая эксергия потока пара при расходе пара т п = т в рассчитывается по
формуле (2.13):
Е п = 6500- 1193,5 = 7,76- 106 кД ж /ч = 2155.0 кВт.
Общий эксергетический КП Д парогенератора
ч' = Ж+Ж~п ’ 100’
ч‘ = 8,6 + И 1 5 :7 - 100 = 40%П роанализируем промежуточные этапы преобразования эксергии топлива
в эксергию получаемого пара.
Удельная эксергия теплоты, полученной при сгорании топлива при темпе­
ратуре Тгр = (273 + 1100) К рассчитывается по формулам (2.29 и 2.28):
= 16989,1 кДж/кг.
О бщая эксергия теплоты при расходе топлива
Е ч = штпе, = 844 • 16989,1 = 14,34 • 106 кД ж /ч = 3983,0 кВт,
что составляет
3983’°
.100 = 73,4%.
1,6 + 5415,7
Промышленные способы получения теплоты
❖
237
£>ф, 26,4
Рис. 5-9. Диаграмма потоков эксергии (к примеру 5.2).
Потери эксергии из-за потерь теплоты в окружающую среду
^окр = (1 ~
где I) - тепловой КПД парогенератора,
Ажр = (1 - 0,91) ■3983,0 = 358,5 кВт.
что составляет
ЯКЯ
358,5к
8,6 + 5415,7
100 = 6.(
Потери эксергии при переходе эксергии топлива в эксергию теплоты
.^гр " £п1 —Eq.
Dw = 5415,7 - 3983.0 = 1432,7 кВт.
что составляет
i 1' г ; 7
1432,7
8,6 + 5415,7
100 = 26,4%.
Потери эксергии при передаче полученной теплоты при 1 100 °С (за вычетом эк­
сергии теплоты, потерянной в окружающую среду) к образующемуся водяному
пару при 370°С, т.е. из-за разницы температур, и с уходящими в окружающую
среду продуктами сгорания топлива:
От ' Eq — D okp
Еп.
D tm = 3983,0 - 358,5 - 2155,0 = 1469,5 кВт,
что составляет
1469,5
8,6 + 5415,7
100 = 27,1
Диаграмма потоков эксергии в установке представлена на рис. 5-9 (на этом
Рисунке потоки эксергии сгруппированы иначе, чем на рис. 5-8).
По энергетическому балансу получается картина высокоэффективной уста­
новки (77 = 91%), что далеко от реальности. Действительно, почти вся теплота
(91%), выделившаяся при сгорании топлива, передана воде для превращения
ее в пар. Но из-за разницы температур продуктов сгорания топлива (1Ю 0°С)
238
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
и образующегося пара (370°С) в процессе теплопередачи в парогенераторе
эксергия теплоты обесценивается, часть эксергии теплоты уходит в окружа­
ющую среду с продуктами сгорания из-за необратимости процесса горения,
происходит обесценивание эксергии топлива. О ценка установки только по
энергетическим показателям не позволяет правильно обосновать направления
развития техники в этой области, которые должны идти по пути уменьш ения
потерь эксергии при высвобождении ее из топлива и при передаче к пару.
5.4. ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ
ПРЕДПРИЯТИЙ
Больш инство предприятий биотехнологического профиля снабжаю тся теп­
лотой и электроэнергией от теплоэлектроцентралей (ТЭЦ ), отдельные пред­
приятия имеют собственные котельные. ТЭЦ — это паротурбинные электри­
ческие станции, где осуществляется совместная выработка и отпуск в соответ­
ствующие сети тепловой и электрической энергии. Комбинирование выработ­
ки теплоты и электроэнергии заключается в том, что в тепловую сеть отдается
теплота отработавш его в турбинах пара. Это приводит к значительному умень­
ш ению тепловых выбросов в системе энергоснабж ения и снижению расхода
топлива на (25...30)% по сравнению с раздельной выработкой электрической
энергии на конденсационной паротурбинной электростанции (К Э С ) и теплоты
в районных котельных (РК). Теплоснабжение потребителей осуществляется
от ТЭ Ц централизованным путем. Вместе с тем высоки капиталовложения
в строительство ТЭ Ц и магистральных тепловых сетей, сроки строительства
достигают 5 . . . 6 лет. К тому же магистральные теплосети часто выходят из
строя, в них теряется около 20°о, а в электрических сетях \1°о от потребляемых
энергоносителей. Традиционные централизованные системы теплоснабжения
постепенно уступают место новым, децентрализованным системам, но с ком­
бинированны м производством теплоты и электроэнергии.
Н епосредственно теплота сжигаемого топлива используется в печных уста­
новках.
5.4.1. Системы теплоснабжения
Системы теплоснабж ения классифицируются: по мощ ности, по виду и с­
точника теплоты, по виду теплоносителя.
По мощности системы теплоснабж ения делятся на децентрализованные
(местные) и централизованные.
И спользование промыш ленных печей и местных котельных является при­
мером децентрализованного теплоснабжения (ДЦТ). При ДЦ Т теплота не транс­
Промышленные способы получения теплоты
❖
239
портируется на дальние расстояния. Достоинство Д Ц Т состоит в возможности
нагрева продукта до любых высоких температур и в отсутствии зависимости
от теплоэлектроцентралей. Недостатками ДЦ Т являются высокие капитальные
затраты, низкий коэф ф ициент использования теплоты топлива (2 0 .. .60%), за­
грязнение воздушной среды и большие эксплуатационные расходы.
Центрыизованное теплоснабжение (ЦТ) осуществляется от источника кол­
лективного пользования — от ТЭ Ц или РК для снабжения теплотой несколь­
ких промышленных предприятий и жилых районов. Оно представляет собой
систему, включающую в себя паротурбинные установки (для выработки элек­
троэнергии и отпуска теплоты с паром) или только теплогенераторы для полу­
чения пара и воды заданных параметров; тепловые сети (паровые и водяные)
с вспомогательными устройствами, обеспечивающими транспорт теплоты; теплоприемники (аппараты) потребителя теплоты.
Котельные обычно строятся там, где ввод в действие ТЭЦ отстает от теплопотребления. После ввода ТЭЦ котельные служат для покрытия пиковых
нагрузок.
Чем крупнее источник теплоснабжения, тем выше его КПД, но вместе
с этим увеличиваются расходы на тепловые сети.
По виду теплоносителя системы теплоснабжения делятся на водяные и па­
ровые В ж илищ но-коммунальном хозяйстве используется вода, на промыш­
ленных предприятиях — вода и пар. В последнее время имеется тенден­
ция применения на промышленных объектах единого теплоносителя — воды.
Достоинствами воды являются: возможность транспортирования на большие
расстояния (до 5 0 ...6 0 км); возможность центрального регулирования отпуска
теплоты потребителю; сохранение конденсата греющего пара (которым нагре­
валась вода) на ТЭ Ц или в РК: простота присоединения к магистральным сетям
потребителей теплоты; большой срок службы и надежность работы водяных
тепловых сетей. К недостаткам воды как теплоносителя относится невозмож­
ность ее применения при температурах выше 200“С, а также большой расход
электроэнергии на транспорт потребителю.
Достоинства пара: возможность его непосредственного использова­
ния в технологических аппаратах; отсутствие расхода электроэнергии на
транспортирование; быстрота прогрева паровых сетей: меньшая, чем при
использовании воды, поверхность нагревательных аппаратов. Недостатки
пара: повышенные потери теплоты паропроводами в окружающую среду,
ограниченная дальность транспорта пара к потребителю (менее 10 км),
меньший, чем при использовании воды, срок службы паровых систем изта коррозии; потери конденсата из-за утечек, загрязнений, сложность сбора
и возврата его на ТЭ Ц или в РК.
Применение единого теплоносителя упрощает схему теплоснабжения, ведет
к уменьшению капитальных затрат и способствует качественной и дешевой
эксплуатации.
240
О
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
Системы водяных и паровых сетей могут выполняться как однотрубными,
так и многотрубными, в частности двухтрубными. При однотрубной системе
подаваемая к потребителю горячая вода не возвращается на станцию , а ис­
пользуется сначала на отопление, затем на горячее водоснабжение. При этом
температура сетевой воды повышается до 180°С и выше с целью уменьш ения
ее расхода. О днотрубная система целесообразна при дальнем теплоснабж ении,
когда стоимость обратной магистрали и затраты электроэнергии на сетевые
насосы оказываются слиш ком больш ими, а стоимость расходуемого топлива
невелика. Двухтрубная система обеспечивает возврат на ТЭЦ обратной воды
от потребителей, чем уменьш аются не только затраты на топливо, но и на
водоподготовку в системе (так как в данном случае циркулирующ ая вода имеет
высокое качество).
В зависимости от схемы использования потребителем сетевой воды, двух­
трубные водяные системы могут выполняться открытыми или закрытыми.
В открытой системе горячая вода частично разбирается потребителем для
коммунально-бытовых нужд. В закрытой системе сетевая вода является только
промежуточным теплоносителем между источником (ТЭЦ , РК) и потребителем
с полным ее возвратом на станцию или котельную.
5.4.2. Потребители теплоты
Для биотехнологий характерно:
1) пар и вода являю тся одновременно и теплоносителями, и реагентами;
2) теплопотребление, как правило, является низкотемпературным (до
1 3 0 ... 150 °С);
3) главный параметр теплоносителей — это их температура, необходимая
для оптимального ведения технологического процесса и создания м икрокли­
мата в цехах;
4) потребление теплоты на технологические нужды зависит от климатиче­
ских факторов (температуры наружного воздуха);
5) имеются достаточно большие вторичные энергоресурсы, которые можно
использовать для покрытия значительной части теплопотребления на том же
предприятии (см. главу 6);
6) параметры теплопотребления различных производств значительно отли­
чаются друг от друга.
Потребителями теплоты являются:
1)
отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, горячее водоснаб­
жение; температура воды горячего водоснабжения может колебаться от 60 °С
до 70 °С; температура поверхности отопительных радиаторов жилых и общ е­
ственных зданий не должна превышать 80 °С, для промы ш ленных предприятий
100 °С;
Промышленные способы получения теплоты
^
241
2) тепловые технологические аппараты и устройства (реакторы, подогрева­
тели. выпарные, ректиф икационные, сушильные и др. установки). Для этого
используется водяной пар давлением 0 ,3 ...0 ,8 М Па (/ < 180°С) и вода (i <
< 150 °С). В биотехнологиях в основном используется водяной пар давлением
0,3МПа, имеющий температуру насыщ ения 132,9°С;
3) силовые технологические агрегаты (молоты, прессы, паровые насосы,
турбокомпрессоры). Это направление не характерно для биотехнологий.
Сезонным потребителем является отопление. Остальные потребители —
круглогодичные. О днако в летний период снижается потребление теплоты
предприятиями за счет уменьш ения теплопотерь, снижения расхода теплоты
на нагрев сырья, исходных материалов, воздуха сушильных установок и др.
С другой стороны возникаю т сложности с охлаждением оборотной воды на
градирнях и дополнительное потребление энергии системами кондициониро­
вания, холодильными установками.
5.4.3. Режим теплопотребления
Режим теплопотребления предприятия (цеха) отражается в графических
зависимостях расхода теплоты от времени. Вид суточного графика расхода
теплоты зависит от характера технологического процесса, сменности работы,
масштабов производства и др. Точные данные для составления графиков могут
быть получены технологами на основании расчетов или в результате испытаний
оборудования. При отсутствии данных пользуются удельными расходами теп­
лоты (в паре, в горячей воде, в хладоносителях) на технологические цели. Сле­
дует помнить, что удельные расходы теплоты зависят от совершенства техноло­
гического процесса, который со временем непрерывно изменяется. Меняются
также теплоносители и их параметры. Поэтому удельные расходы теплоты мо­
гут быть использованы только для ориентировочной оценки теплопотребления
и в качестве контрольных данных для проверки проектных расчетов расхода
теплоты на технологические нужды.
Зависимость между теплотой, затрачиваемой на производственные цели,
Qnp, и количеством выпускаемой продукции, П, выражается следующим урав­
нением:
Q пр —Q +
где О — расход теплоты, не зависящий от количества выпускаемой продукции;
g — удельный расход теплоты на единицу продукции.
Пример суточного графика потребления теплоты предприятием при двух­
сменной работе изображен на рис. 5-10в. На рис. 5-106 дана схема потребления
теплоты в течение недели; аналогично может быть представлено теплопотребление за месяц; на рис. 5-10# — годовой график теплопотребления. Площадь
242
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
Q
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24
часы суток
1
1
—
2
3
4
5
6
1
а
7
дни недели
б
----
— 1
н
I—
—
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
месяцы года
в
Рис. 5-10. Графики потребления теплоты: а - суточный, б - недельный, в - годовой.
Промышленные способы получения теп\огы
❖
243
под графиком представляет собой суммарный расход теплоты за рассматривае­
мый период, штрихпунктирной линией показано среднее потребление теплоты
за рассматриваемый период.
Показателем неравномерности теплопотребления является «число часов ис­
пользования максимума тепловой нагрузки», тт ал. равное отношению общего­
дового количества потребленной тепловой нагрузки, Qma, к максимальному
потребленному за один час, Q moI
В биотехнологиях при работе технологических установок в среднем 8000 часов
в году, число часов использования ими максимума тепловой нагрузки состав­
ляет 5500... 5700 часов.
При наличии краткосрочного максимума годового теплопотребления более
выгодно часть этой нагрузки в часы пик покрывать паром от специальных
пиковых котельных.
5.4.4. Методы регулирования тепловой нагрузки и параметров
теплоносителей
Промышленные ТЭЦ отпускают теплоту с паром и горячей водой. Пара­
метры отпускаемых теплоносителей не всегда устраивают потребителя. Устрой­
ства, предназначенные для поддержания необходимых давления и температуры
теплоносителя, называются теплоподготовительными установками.
Для повышения давления и температуры пара применяются пароструйные
компрессоры (см. гл. 3 и 6).
Для сниж ения давления пара применяются редукционно-охладительные
установки (РОУ). Условное обозначение такой установки приведено
на рис. 5-11: 1 — пар высоких параметров; КР —
клапан редукционны й для сниж ения давления
пара; 2 — пар пониженного давления; 3 — хо­
лодная вода, подаваемая форсунками в камеру
смешения СМ , где вода испаряется за счет теп­
лоты перегрева пара 2, в результате получается ^
^
Редукци0НН0<)Хлади.
пар 4 требуемых параметров, который подает- тельная устаноека
ся потребителю. Расчет РОУ и эксергетический
анализ процессов, происходящих в нем, дан в гл. 2 (пример 2.9).
Для понижения температуры воды применяются элеваторы, представляю­
щие собой водоструйные насосы, в которых вода с высокими параметрами
подсасывает более холодную воду (обычно обратную после теплоиспользования), на выходе из элеватора вода имеет требуемые параметры.
244
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
В системах оборотного водоснабжения вода охлаждается атмосферным воз­
духом на градирнях — полых баш нях с насадкой, в которых вода стекает сверху
вниз, а воздух движется снизу вверх.
5.4.5. Центральные тепловые пункты
П ромыш ленное предприятие с большим количеством различных местных
систем (цехов), разбросанных по территории предприятия, имеет обычно один
ввод — центральный тепловой пункт (Ц ТП ). ЦТП сооружается для учета тепло­
ты, поступающей от ТЭ Ц или РК, контроля параметров теплоносителей и о р ­
ганизации регулирования отпуска теплоты по отдельным цехам. Кроме того,
на ЦТП производится изменение параметров теплоносителей в соответствии
с требованиями местных систем. На предприятиях, имеющих собственные
источники теплоты, ЦТП оборудуется в помещ ении котельной.
На рис. 5-12 приведена схема ЦТП предприятия. По трубопроводу 1 пар
поступает на территорию предприятия. Расход пара измеряется расходомерным
устройством 2. Распределение пара по различным местным системам произво­
Промышленные способы получения теп \оты
❖
245
дится от коллектора 3, оборудованного приборами для измерения давления
и температуры.
Если для всех местных систем требуется понижение давления пара по­
ступающего на предприятие, до коллектора устанавливается редукционноохладительное устройство (на р и с .5-12 не показано), тогда на коллекторе обя­
зателен предохранительный клапан.
В зависимости от требований местных систем теплопотребления. на отдель­
ных ответвлениях от коллектора устанавливаются клапаны редукционные 4.
водоподогреватели 5. Водопроводная вода подается по трубопроводу 7 насо­
сом 8. Горячая вода уходит к потребителю по трубопроводу 6. Конденсат из
паропровода / и из коллектора 3 по дренажным трубопроводам 12, из водоподогревателя 5 и из местных систем теплопотребления по трубопроводам 9 через
конденсатоотводчики поступает в конденсатосборник 10, откуда откачивается
насосом 13 по конденсатопроводу 15 на ТЭ Ц или РК. Подача насоса 13 регу­
лируется регулятором уровня 11, расход конденсата измеряется расходомером
(водомером) 14. Конденсат может подаваться и без насоса, если давление
в конденсатосборнике больше, чем давление в конленсатопроводе. Закрытые
сборники для конденсата предпочтительнее открытых, так как в них уменьш а­
ется опасность насыщ ения конденсата воздухом, а следовательно, и опасность
коррозии конденсатопровода. Чем выше температура конденсата, тем ниже
содержание в нем растворенного кислорода и тем долговечнее система. При
эксплуатации систем возврата конденсата не следует допускать частичного или
полного опорож нения как внутренних, так и внешних конденсатопроводов.
Необходимо предусматривать контроль качества конденсата и автоматическое
отключение конденсатных насосов при превышении допустимой нормы за­
грязнения конденсата.
На коллекторах и паропроводах монтируется запорная арматура, прибо­
ры для измерения давления, дренажные устройства с конденсатоотводчиками,
предохранительные устройства. На трубопроводах для воды и конденсата мон­
тируются приборы для измерения давления и температуры, а также обязательно
обратные клапаны после насосов.
5.4.6. Местные тепловые пункты
Местные тепловые пункты (М ТП ) располагаются в отдельных помещениях
иехов или в специально отведенных местах и служат для подготовки тепло­
носителя (пара) для подачи его с необходимыми параметрами в теплоисполь­
зующие установки (аппараты), а также для возврата конденсата в ЦТП или
непосредственно к источнику теплоты. МТП имеют запорную арматуру; ре­
дукционный клапан, отрегулированный на рабочее давление местной системы
теплоиспользующих установок: предохранительный клапан, установленный на
линии редуцированного пара; элеватор или насос; грязевики, установленные на
246
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 5
подающем и обратном трубопроводах водяных систем для улавливания взве­
шенных частиц из воды; устройства для выпуска воздуха в верхних точках водя­
ной сети; устройства с конденсатоотводчиками для дренирования конденсата
в нижних точках паропроводов и перед веритикальными подъемами; дренаж
для опорож нения системы; приборы для измерения температуры и давления;
расходомеры. Температура сбрасываемых в канализацию стоков должна быть
меньш е 40 °С.
5.4.7. Требования к теплоиспользующим установкам
Теплоиспользую щие установки должны иметь: запорную арматуру на тру­
бопроводах впуска и выпуска греющей и нагреваемой сред; контрольно­
измерительные приборы температуры, давления и расхода; предохранительные
клапаны; смотровые и водоуказательные стекла; устройства для отбора проб,
удаления воздуха, удаления конденсата; при необходимости устройства для
пониж ения давления и температуры теплоносителя. К установке долж на при­
лагаться соответствующая документация: паспорт, чертежи, исполнительные
схемы аппаратов и трубопроводов; инструкции по эксплуатации и ремонту;
полож ения о правах и обязанностях персонала.
rm
ВТО РИ Ч Н Ы Е
Э НЕРГО РЕСУРСЫ
6
Многие производства, использующие биотехнологии,
относятся к энергоемким, в которых доля энергозатрат
в себестоимости продукции составляет более 30%. Н а­
пример, для производства 1 тонны чугуна необходимо
израсходовать 0,25 ГДж теплоты, 1 тонны серной кисло­
ты — 0,54 ГДж, для аммиака — 5,5 ГДж/т; димедрола —
121,5 ГДж/т; метилурацила — 210 ГДж/т; кормового анти­
биотика — 2074 ГДж/т.
Проанализируем эффективность использования энер­
гии. На предприятия поступает пар с манометрическим
давлением от 0,5 до 1,2 МПа. Перед подачей в цеха его
давление снижается до (0,3...0,5) МПа путем дросселиро­
вания, при этом снижается и полезная энергия (эксергия)
пара, которая могла бы быть использована. Далее, при
обогреве аппаратов используется только теплота конденса­
ции греющего пара: конденсат пара, имеющий температу­
ру (130...140) °С, дросселируется через конденсатоотводчик
с понижением температуры до 100°С и чаше всего слива­
ется в канализацию. Завод платит не только за полученный
греющий пар, но и за невозврашенный конденсат (постав­
щик пара не принимает конденсат, если не гарантировано
его качество). Но и этого мало: так как температура го­
рячих жидкостей, сливаемых в канализацию, не должна
превышать 4 0 13С, то к горячему конденсату добавляют хо­
лодную воду, платя и за ее расход.
Примерно половину массы греюшего пара используют
для получения горячей воды и для нагрева вентиляцион­
ного воздуха в зимний период. Кратность воздухообмена
на предприятиях биотехнологического профиля составляет
от 7 до 15 раз в час. Нагретый вентиляционный воздух
выбрасывается в атмосферу без утилизации его теплоты,
248
О
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 6
хотя разность температур нагретого и свежего холодного воздуха в зимний
период для средней полосы России составляет более 30 К.
Вторая половина массы ф ею ш его пара используется для обогрева химиче­
ских реакторов, перегонных кубов, выпарных аппаратов, суш ильных устано­
вок и т. п. В них образуются вторичные пары, обы чно имеющие температу­
ру 100°С; эти пары либо выбрасываются в атмосферу, либо конденсируются
в теплообменниках с помощ ью холодной оборотной воды. Нагретая оборотная
вода охлаждается на градирне, обогревая окружающую среду. Оборотная вода,
циркулирующ ая через градирню, включает в себя потоки воды, охлаждаю­
щей различные аппараты, компрессоры , конденсаторы холодильных установок.
В окружающую среду также выбрасывается вместе в отработанным воздухом
почти вся теплота, подводимая к калориферам конвективны х суш ильных уста­
новок.
И спользование искусственного холода для отвода теплоты экзотермических
реакций и проведения процессов кристаллизации начинается с температур
значительно больших, чем +25 °С, приводя к чрезмерным расходам хладоносителей и дополнительны м затратам энергии, потребляемой холодильными
установками.
В результате всего выш еперечисленного тепловые выбросы в окружающую
среду составляю т тот же порядок величины, что и теплопотребление предпри­
ятия.
В последние десятилетия все развитые страны мира перешли на энерго­
сберегающую политику, в результате которой обеспечение их экономического
роста происходит не только без увеличения абсолю тного уровня потребления
энергии, но даже при его сниж ении.
Экономия энергетических ресурсов может осущ ествляться по следующим
направлениям:
. энергетическое соверш енствование технологий, процессов и оборудова­
ния;
• улучшение энергоснабж ения предприятия;
• соверш енствование управления энергетикой предприятия;
• использования вторичных энергетических ресурсов.
Таким образом, использование вторичных энергоресурсов (их утилизация) яв ­
ляется одним из важнейших путей экономии энергии в производствах, исполь­
зующих биотехнологии, а, следовательно, и сниж ения себестоимости продук­
ции.
6.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Под вторичными энергоресурсами (ВЭР) понимается энергетический потен­
циал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующ их­
Вторичные энергоресл рсы
О
249
ся в технологических установках, который не используется в самой установке,
но может быть частично или полностью использован для энегоснабжения
других установок. Использование ВЭР для удовлетворения потребностей в топ­
ливе, теплоте, электрической и механической энергии других установок назы­
вается утилизацией ВЭР. ВЭР могут быть использованы в двух направлениях:
либо непосредственно в качестве энергоносителя, либо для выработки теплоты,
холода, электроэнергии и механической работы в утилизационных установках.
6.1.1. Виды ВЭР и направленния их использования
Различают следующие основные виды ВЭР:
• горючие, к которым относятся продувочные, абсорбционные отходящие,
хвостовые, печные газы; жидкие кубовые остатки; твердые отходы и пр.;
их потенциал характеризуется теплотой сгорания;
• тепловые: это теплота отходящих газов технологических установок, вто­
ричного пара, воды, продуктов и отходов, воздуха от химических реакций,
воздуха от суш илок, вентиляционных выбросов и пр.; их потенциал харак­
теризуется энтальпией;
• избыточного давления: это энергия потоков газов и жидкостей, потенци&і
которой характеризуется работой изоэнтропного (адиабатного) расшире­
ния.
Различают четыре основные направления использования ВЭР
• топливное: использование горючих ВЭР в качестве топлива в теплогене­
рирующих установках;
• тепловое: использование теплоты, вырабатываемой за счет ВЭР в утили­
зационных установках или непосредственно получаемой в качестве ВЭР.
а также выработка холода за счет ВЭР;
• силовое: использование электрической и механической энергии, выраба­
тываемой за счет ВЭР в утилизационных установках;
• комбинированное: например, всегда рекомендуется отобрать избыточную
теплоту ВЭР, а потом использовать ВЭР в качестве топлива.
Горючие отходы, как правило, используются на химических предприятиях
полностью, так как имеется достаточно установок утилизации горючих ВЭР
(парогенераторов и печей), в которых ВЭР сжигаются самостоятельно или
8 смеси с органическим топливом (когда ВЭР сильно забалластированы).
Получающиеся в них газообразные продукты сгорания высокой температуры
8Дальнейшем используются или для обогрева технологических аппаратов, или
Для получения пара в котлах-утилизаторах (см. раздел 5.3.3), или для получения
холода в холодильных установках (см. раздел 4.7).
ВЭР избыточного давления используются в расширительных машинах,
предназначенных для приводов компрессоров, насосов и электрических ма­
шин. Силовое использование ВЭР не характерно для предприятий биотехно­
250
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 6
логического профиля, так как давления потоков газов и жидкостей не велики.
Этот способ утилизации далее не будет рассматриваться.
Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации теплового и тех­
нологического оборудования предприятия является максимальное сокращение
выхода вторичных энергоресурсов, обеспечивающ ее прямую эконом ию топ­
лива. Наиболее целесообразно использование образующихся тепловых пото­
ков в тепловом балансе той установки, которая является источником этих
потоков. При этом улучшается внутренняя рекуперация теплоты в установке,
образующ иеся тепловые потоки используются непреры вно, повыш ается КПД
установки (хотя строго говоря, рекуперация теплоты в самой установке не
относится к использованию ВЭР). И спользование образующ ихся тепловых
потоков для теплоснабж ения других технологических, а так же отопительно­
вентиляционных процессов позволяет улучшить тепловой баланс предприятия
в целом. Для этого необходимо:
• внедрение новых процессов и агрегатов с высоким коэф ф ициентом ис­
пользования топливно-энергетических ресурсов и, следовательно, с ми­
нимальны м выходом ВЭР;
• обеспечение всех агрегатов — источников ВЭР утилизационны м оборудо­
ванием;
• разработка технических реш ений использования всех видов ВЭР;
• освоение новых конструкций утилизационного оборудования;
• освоение производства эконом айзеров и отопительно-вентиляционного
оборудования, использующ его низкопотенциальны е ВЭР для отопления,
вентиляции, кондиционирования;
• расш ирение выпуска абсорбционных холодильных установок, работаю ­
щих на ВЭР;
» использование установок для термического обезвож ивания технологиче­
ских отходов, в том числе стоков, и утилизация тепловой энергии;
• создание энергоблоков с фреоновы ми турбинами, обеспечиваю щ ими ис­
пользование избытков утилизационного пара низких параметров для вы­
работки электрической энергии;
• использование теплонасосны х установок для изм енения потенциала теп­
лоты.
6.1.2. Параметры тепловых ВЭР
По своим параметрам тепловые ВЭР подразделяются на:
• высокопотенциальные, температура которых выше 40 0 °С;
• среднепотенциальные, с температурой от 250 до 400 °С;
• низкопотенциальны е, с температурой до 300 °С.
В производствах, использующ их биотехнологии, образуются в основном низ­
копотенциальны е ВЭР. Д о недавнего времени считалось, что низкопотенци­
Вторичные энергоресурсы
"v-
251
альные ВЭР невозможно использовать из-за их низкой температуры и загряз­
ненности вредными и агрессивными примесями. Теплота их обычно отводится
в окружающую среду либо непосредственно, либо через систему оборотного
водоснабжения, при этом теплота не просто теряется, а происходит тепловое
загрязнение окружаю щ ей среды, затрачивается дополнительная энергия и вода.
Утилизация низкопотенциальных ВЭР может на 50% сократить потребле­
ние теплоты от внеш них источников. А средние удельные капитальные вло­
жения в энергосберегающ ие мероприятия, осуществляемые конечными потре­
бителями топлива и энергии, в 2 .. .3 раза ниже капитальных вложений в про­
изводство эквивалентного количества энергетических ресурсов. К тому же на
предприятиях биотехнологического профиля более 90% теплоты используется
при температурах от 25 до 150°С. Поэтому обеспечение потребителей теплотой,
получаемой путем сжигания топлива с последующими многочисленными ста­
диями трансформации энергии, является процессом термодинамически мало­
эффективным. Даже если вся теплота от источника ее производства (без потерь
в окружающую среду на стадиях трансформирования и транспортирования)
будет передана потребителю, полезное использование энергии не превысит
42%, эксергетический же КП Д в лучшем случае достигнет 35%.
6.1,3. Способы использования низкопотенциальных тепловых
ВЭР
Возможными способами использования низкопотенциальных тепловых
ВЭР являются:
• подогрев воды, используемой в системах теплоснабжения и горячего во­
доснабжения, подогрев питательной воды для различных агрегатов;
• подогрев воздуха в зимний период для вентиляционных установок, как
правило совмещ енных с воздушным отоплением;
« выработка холода в абсорбционных холодильных установках:
• повышение потенциала теплоты с помощью теплонасосных установок,
• использование совмещ енных систем, в которых, например, выработка хо­
лода в абсорбционных холодильных установках с использованием сброс­
ной теплоты совмещ ена с созданием станций тепло-холодо-водоснабжения на базе абсорбционных тепловых насосов, это позволяет обеспе­
чить предприятия теплом (с температурой +80 С), холодом ( + 5...+7 С)
и охлажденной технической водой (+20 °С). Одновременно существенно
повышается качество технического водоснабжения.
Основными техническими средствами для утилизации теплоты низкопотенци­
альных ВЭР являются:
• многоступенчатые установки с аппаратами мгновенного вскипания для
использования теплот загрязненных горячих стоков,
252
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 6
• многоступенчатые установки с аппаратами типа «тепловая труба» для ис­
пользования теплоты агрессивных жидкостей (например, кислот);
• контактны е аппараты с различными насадками для использования тепло­
ты парогазовых потоков;
• абсорбционные холодильные установки на водных растворах аммиака,
бромида лития, хлорида кальция;
. скрубберные установки для утилизации теплоты дымовых газов;
• выпарные аппараты с вращ ающ имися элементами (роторно-пленочны е)
для использования теплоты загрязненных газов с целью концентрирова­
ния сточных вод;
• теплонасосны е установки (пароструйные, абсорбционные и компрессор­
ные) для производства холода и теплоснабжения суш ильных, выпарных,
перегонных и др. установок;
• рекуперационны е агрегаты для использования теплоты паровоздушной
смеси в схеме рециркуляции;
• регенеративные вращающ иеся теплообм енники, пластинчатые рекупера­
торы, теплообменники с промежуточным теплоносителем, с тепловыми
трубами для использования теплоты вентиляционных выбросов.
6.2. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ВЭР
Энергетическую эфф ективность использования вторичных энергоресурсов
принято оценивать эконом ией топлива в той энергетической установке, ко­
торую замещает утилизационная установка при выработке одного и того же
количества теплоты. Предварительно рассчитывается удельный и общ ий выход
ВЭР.
Удельный выход тепловых В Э Р — выход ВЭР на единицу продукции, сырья
или топлива, кД ж /кг или кД ж /м 3:
<7вэР = m (c\ti —c-iti) = m A h .
(6.1)
Общий выход тепловых ВЭ Р — выход тепловых ВЭР за рассматриваемый период
(м есяц, год и т.д .), кДж;
Qü3p = 9вэрП
(6.2)
Qb3P = ЯвэрТ-
(6.3)
или
В этих формулах т — удельное количество энергоносителя (твердого,
жидкого и газообразного) в килограммах или кубических метрах на еди ни­
цу продукции или в единицу времени работы установки — источника ВЭР
(определяется из материального баланса процесса); A h — перепад энтальпий,
кД ж /кг или кД ж /м 3;
и с\ — температура и теплоемкость энергоносителя на
Вторнчные энергоресурсы
❖
253
выходе из источника ВЭР; t-i и с-2 — температура и теплоемкость энергоно­
сителя при поступлении его на следующую стадию техологическото процесса
или температура окружаю щ ей среды и соответствующая ей теплоемкость; П —
выпуск продукции или расход сырья, топлива за рассматриваемый период;
г — число часов работы установки — источника ВЭР в рассматриваемый
период.
Возможная выработка теплоты в виде пара или горячей воды в теплоути­
лизационной установке за счет ВЭР за рассматриваемый период времени. кДж:
Q ~ Qs3pQ7)yi'
(6.4)
где а — коэф ф ициент, учитывающий несоответствие режима и числа часов
работы утилизационной установки и источника ВЭР (а = 0 ,7 ... 1);
—
условный КПД теплоутилизационной установки.
Использование тепловых ВЭР
<?и = Qo.
(6.5)
где а — коэф фициент использования теплоты, обычно
а = (0,5...0,9).
Экономическая эффективность использования ВЭР — это экономия топлива
\В за счет использования ВЭР, в тоннах условного топлива, за рассматривае­
мый период (год, месяц, и т.д.)
При тепловом направлении использования ВЭР
Д В = 63MQ„,
(6.6)
где Ьы — удельный расход условного топлива на выработку теплоты в замеща­
емой котельной установке,
00342.
ІҺ
(6.7)
Ьм = -------7зм
где 0,0342 = 1/29,33 — коэф ф ициент эквивалентного перевода 1 МДж теплоты
в тонну условного топлива; г/зм — КПД энергетической установки (промыш­
ленная котельная, котельная ТЭ Ц ), с показателями которой сопоставляется
эффективность использования ВЭР (гьм = 0,84 • -0,86).
Пример 6.1. Определить количество горячей воды, которое может быть получено
в коте-утшгизаторе за счет использования теплоты отходящих печных газов
и экономию условного топлива. Условный КПД теплоутіиизационнои установки
% = 0,89. Расход печных газов 16,3 • 10Зм*/ч при температуре t, = 350°С. Тем­
пература газов после утилизатора fa = '200 °С. Средняя объемная теплоемкость
газов = 1,415 кДжЦм* ■К). Вода нагревается от 10 до 70°С. КПД замещенного
водонагревателя ч-м = 0,91.
Решение. При охлаждении газов от 350 до 200“С их средняя температура
(200 + 350)/2 = 275 °С.
254
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Главай
Объемный расход печных газов при этой температуре (т.е. удельное коли­
чество теплоносителя здесь обозначено как т ) пересчитывается с использова­
нием уравнения (1.3):
т = 16,3 . до3 .
350 + 273
= 14,3 ■103 м3/ч .
'
Количество используемой теплоты рассчитывается при совместном реш ении
уравнений (6.1), (6.3), (6.4) и (6.5):
Q„ = ш • cv (f 1 - t2)TQTiy,a.
П ринимается, что т = 1 час, а = 1, а = 0,9, тогда:
<Э„ = 14,3 103 • 1,415(350 - 200) • 1 • 1 • 0.89 ■0,9 = 2,4 ■106 кД ж /ч = 2,4 • 103 М Дж/ч.
Расход горячей воды, получаемой в котле-утилизаторе:
св(^в.к “ ^в.н)
где св — теплоемкость воды, св = 4,18кД ж /(кг К); t BK и fBH — конечная и на­
чальная температура воды, °С
2 4 ■106
т ° = 4Х8(7 -0 -Т 0 )=9712КГ/Ч
или, при плотности воды 1000 кг/м 3, объемный расход получаемой горячей
воды 9,7 м3/ч .
Эконом ия условного топлива за счет использования вторичных энергоре­
сурсов рассчитывается по уравнениям (6.6) и (6.7)
о 349
Д В = 2,4 ■103 • q
= 91т/ч.
6.3. СХЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ
ТЕПЛОВЫХ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
На приведенных ниже схемах показаны установки для утилизации н изко­
потенциальных тепловых ВЭР.
Представлены также схемы рекуперации и регенерации теплоты в вы­
парных, суш ильных, ректиф икационны х и вентиляционны х установках. Ре­
куперативными называются теплообменники, в которых горячая и холодная
среда протекаю т одновременно, и теплота передается через разделяю щую их
стенку (поверхность теплопередачи). Рекуперативные теплообменники бы ва­
ют кожухотрубчатые, труба в трубе, спиральные, пластинчатые, змеевиковые,
оросительные и специальны е. Регенеративными называю тся теплообменники,
в которых одна и та же поверхность через определенны е промежутки времени
омывается то горячим, то холодным теплоносителем. Эта поверхность обычно
Вторичные энергоресурсы
Al
А2
'A 3
A4
❖
255
А5
Рис. 6-1. Комплексная утилизация теплоты с низкотемпературным тепловым насосом
создается с помощью разнообразных насадок, которые могут быть неподвиж­
ными, вращающимися, пересыпающимися. В период контакта насадки с горя­
чим теплоносителем насадка нагревается, а в период подачи холодной среды
охлаждается, нагревая среду за счет аккумулированной теплоты.
Абсорбционные холодильные установки, которые могут работать на низ­
копотенциальных ВЭР, были рассмотрены в разделе 4.7. Это перспективный
путь использования ВЭР, так как потребление искусственного холода при
пониженных положительных температурах все время возрастает, в том числе
и в производствах, использующих биотехнологии.
Следует иметь в виду, что при относительно высоких температурах сброс­
ных потоков нужно предварительно использовать их теплоты путем переда­
чи в другой процесс (каскадирование теплоты) с помошью теплообменников
и котлов-утилизаторов.
Теплообменник прост в монтаже и быстро окупается, но применение его
во многих случаях оказывается ограниченным, в частности при недостаточной
(30...50°С) температуре сбросного потока. Такие случаи имеют широкое рас­
пространение, ибо количество сбросной теплоты тем больше, чем ближе тем­
пература этого потока к температуре окружающей среды. Когда температурный
Уровень сбросного потока не позволяет использовать его в других процессах,
применяются тепловые насосы.
Во многих случаях сочетание теплонасосых установок с теплообменниками
может явиться наиболее рациональным решением.
Пример схемы комгыексной утилизации теплоты сбросных потоков при­
веден на р ис.6-1. (Значения температур приведены для реальной установки,
мятой из книги 1481). Поток воды 1 с температурой 53 С насосом Н по­
дается в испаритель И теплонасосной установки, где охлаждается до 35
256
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава <i
Рис. 6-2. Комплексная утилизация теплоты с высокотемпературным тепловым насосом..
затем поступает в теплообменник Т1, в котором нагревается сбросным по­
током 2 —2 с температурой 65 °С. После подогрева поток 1 направляется
в конденсатор К теплового насоса, в котором догревается до 79 °С. Далее
этот поток 1 последовательно нагревается в теплообм енниках Т2 и ТЗ за
счет конденсата 3 —3 технологического пара и сбросных паровых потоков 4—
4. Н агретый до 105 °С поток воды 1 направляется в технологический про­
иесс (аппараты А5. . .А1), и цикл замыкается. П римененны й в данном случае
тепловой насос — низкотемпературный, так как сбросный поток 1 первона­
чально понижает свою температуру. Рабочим агентом 5 цикла ТНУ является
ф реон-12, коэф ф и циент преобразования ТНУ 3,8. Срок окупаемости установки
1,2 года.
А льтернативной по отнош ению к рассмотренной схеме является схема
рис. 6-2 с применением высокотемпературного теплового насоса [48]. В этом
случае в испаритель И теплонасосной установки подается сбросный поток
2—2 с температурой 65 °С , который охлаждается в испарителе И до 45 °С.
В конденсатор К насосом Н подается поток воды / с температурой 53 °С и на­
гревается до 85 °С. (Схема названа высокотемпературной, так как поток / сразу
нагревается. Весь цикл ТНУ работает на более высоком температурном уровне
по сравнению со схемой рис. 6-1.) Далее поток 1 последовательно проходит
через два теплообменника TI и T2, в которых нагревается конденсатом 3—3
и сбросными паровыми потоками 4—4 до температуры 105 “С, направляется
в технологический процесс (аппараты А 5...А 1), и цикл замыкается. В такой
схеме рабочим агентом 5 цикла ТНУ является фреон-114, коэф ф ициент пре­
образования ТН У 4,2. Срок окупаемости установки 1,5 года.
Вторичные энергоресүрсы
&
257
Рис. 6-3. Утилизация теплоты низкотемпе- Рис. 6-4. Утилизация теплоты низкотемпе­
ратурных продуктов сгорания в контактном ратурных продуктов сгорания в контактном
теплообменнике, орошаемом водой.
теплообменнике с активной насадкой.
6-3.1. Утилизация теплоты низкотемпературных продуктов
сгорания
Температура уходящих газов из котельных установок, промышленных пе­
чей составляет 200.. 300 °С. Снижать температуру уходящих газов ниже 120 °С
нецелесообразно из-за резкого увеличения размеров, следовательно, металло­
емкости и стоимости оборудования. К тому же при более низких температурах
начинается конденсация паров, содержащихся в газах, что приводит к услож­
нению оборудования.
В тех случаях, когда продукты сгорания топлива (например, газового) не со­
держат оксидов серы и твердых частиц, их можно утилизировать в контактном
Пеп‘го°бменнике, орошаемои водой, что увеличивает коэффициент использова­
ния теплоты топлива на 7 ... 10 %.
Низкотемпературные продукты сгорания / поступают в аппарат А (рис. 6-3)
и Разделяются на два потока, регулируемых по количеству с помощью заслонок
и 32. Поток 2 при необходимости сразу направляется на выход из аппарата.
ОТок 3 проходит через слой насадки НС (обычно из колец Рашига), ороша^Ый водой. Вода 4 подается насосом Н через фильтр Ф и разбрызгивается
Ч’орсункой. Стекая по насадке НС, вода контактирует с горячим потоком
^а> где он отдает воде теплоту охлаждения и теплоту конденсации влаги,
Годящейся в нем. Нагретая вода 6 удаляется из аппарата. Остывший газ
5—
4675
258
О-
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
ГлаваН
проходит через сепаратор С, состоящ ий из сдоя сухой насадки, где из него
улавливаются брызги воды. 5 — поток газа, удаляемый из аппарата.
В тех случаях, когда дымовые газы содержат твердые частицы и оксиды,
для нагрева воды применятся контактный теплообменник с активной насадкой
(рис. 6-4). В этих аппаратах дымовы е газы 1 смеш иваю тся с водой, разбрызгива­
емой форсунками РЖ, и нагревают слой активной насадки НС. Н агрев воды, а,
следовательно, и насадки происходит за счет остывания газов и за счет теплоты
конденсации находящихся в них паров. При контакте с газами вода растворяет
оксиды и улавливает твердые частицы пыли, содержащ иеся в газах. Загрязнен­
ная вода частично отводится снизу аппарата (поток 4), частично возвращается
на орош ение насадки, (поток 3, к которому добавляется поток чистой воды 2).
Н — циркуляционны й насос системы орош ения. Нагретая насадка НС отдает
теплоту чистой воде 6, протекаю щ ей по трубам, располож енны м в слое насад­
ки. Нагретая чистая вода 7 подается потребителю. О хлажденные и очищ енные
дымовые газы для улавливания брызг проходят через сепаратор С, состоящ ий
из слоя керамических колец, и удаляются из аппарата (поток 5).
Дымовые газы могут быть источником ниэкопотенциапьной теплоты (ос на
рис. 4-16) в теплонасосны х установках, работающих по замкнутому циклу (раз­
дел 4.10.1).
6.3.2. Утилизация теплоты сжатия в компрессорных
установках
В производствах, использующ их биотехнологии, на долю компрессоров
приходится более 25% потребляемой энергии.
При наличии охладителей воздуха от компрессорной установки отводится
тепловой поток, примерно равный по величине мощ ности привода. Сред­
ний температурный потенциал этого потока теплоты составляет (1 4 0 ... 160) °С.
О коло 90% этой теплоты может быть полезно использовано.
Атмосферный воздух 1, рис. 6-5, последовательно проходит через ступени
КМ 1, КМ 2, КМ З многоступенчатого компрессора. При сжатии воздуха в каж ­
Вторичные энергоресурсы
Ф
259
дой ступени в '2 ,5... 3,5 раза его температура повышается до (1 4 0 ... 160) “С.
Охлаждение газа осуществляется водой 2, последовательно проходящей через
промежуточные холодильники X I, Х2, ХЗ. Концевой холодильник Х4 охлажда­
ется свежей водой 3. Вода после холодильников ХЗ и Х4 имеет температуру
70...75°С . Воздух после концевого холодильника должен иметь температуру
не выше 40° С.
Температура воды 7 0 ...7 5 ° С достаточна для использования ее на бытовые
и производственные нужды.
Охлаждающаяся вода комперссорных установок может быть использована
в теплонасосных установках в качестве источника низкопотенциальной тепло­
ты.
6.3.3. Утилизация теплоты горячих жидкостей
При обогреве технологических аппара­
тов греющим паром давлением (0 ,3 ... 1) М Па,
необходимо утилизировать конденсат греюще­
го пара, который остается при температуре
(130... 180) °С. Эксергия теплоты конденсата
составляет (1 1 ... 16)% от эксергии пара.
В схеме, рис. 6-6, греющий пар / отдает теп­
\г 2
лоту конденсации на нагрев жидкости 4 в по­
догревателе Г. Конденсат пара 2 после конденсатоотводчика КО поступает в теплообменник
Т, где конденсат охлаждается, нагревая поток 5.
г
Остывший конденсат 3 собирается в сборнике
СБ, откуда возвращается насосом Н произво­
дителю пара. Таким образом используется теп­
. А
лота конденсации греющего пара в подогрева­
%г з
теле Г; теплота, выделяющ аяся при охлаждении
конденсата, используется в теплообменнике T,
к тому же не потребляется вода для охлажде­
ния конденсата. Наличие сборника конденсата
СБ позволяет анализировать чистоту отводимо­
го конденсата перед возвращением его произво­ Рис. 6-6. Утилизация теплоты
дителю пара. И спользование теплоты конденса­ конденсата греющего пара.
та фею ш его пара в самой установке позволяет
снизить расход ф ею ш его пара и тепловые выбросы (см. пример 6.2).
V
V
/
Ч > |
Пример 6.2. По данным примера 2.12рассчитать расход греющего пара и затраты
эксергии в выпарной установке, если исходный раствор подогревается в теп/юобменнике-подогревателе конденсатом греющего пара, выходящего из выпарного ап-
260
О
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 6
парата. Расход теплоты на нагрев раствора Q„aep = 98,4 кВт. Тепловая нагрузка
выпарной установки Q = 622.2 кВт.
Решение. Схема установки дана на рис. 6-7: АВ — выпарной аппарат;
I — исходный раствор, который нагревается конденсатом 5 греющего пара
в подогревателе-холодильнике Г -Х , в кото­
ром конденсат 5 охлаждается и выводится
поток 50Хл; 3 — концентрированны й рас­
твор; 4 — вторичны й пар; 2ИСП — греющий
пар, необходимый только для процесса ис­
парения, 6 — тепловые потери.
Расход теплоты на испарение:
•Зисп = Q ~ Qнагр = 622,2 - 98,4 = 523,8 кВт
Для насыщ енного греющего пара давлени­
ем Ргр.п = 300кП а удельная теплота ко н ­
денсации Гф.п = 2164,1 кД ж /кг, его энталь­
пия һгр,„ = 2725,5 кД ж /кг, энтропия sv .„ =
= 6,993кД ж /(кг К) (см. прилож. 2).
Рис. 6-7. Утилизация теплоты конденсата греющего пара в процессе еыпа_
ривания (к примеру 6.2).
Расход греюшего пара на испарение
_ <?Исп _ 523,8
—
’ oOUU —о I 1,о кг/час.
гфП
2164,1
ь^Писп —
Конденсатом этого пара нагревается исход­
ный раствор, температура конденсата при этом понижается до t oxл
Qiiarp = тиспС(іф.п — £охл),
где с — теплоемкость конденсата греющего пара, т.е . воды, с = 4,19кД ж /кг;
trpn = 133,5°С — температура конденсации греющего пара давлением ргрп =
= 300 кП а (см. прил. 2). Решая это уравнение находят f0XJ1
871 Ч
98,4 = 36ÔÏÏ ' 4,19 ■( ш ’5 " <охл)
іохл = 36,5 “С.
При этой температуре для охлаждаемого конденсата: һохл = 152,8 кД ж /кг, я0хл =
= 0,525кД ж /(кг К) (см. прил. I).
Эксергия охлажденного конденсата рассчитывается по формулам (2.13) и
(2.12):
Е 5оы =
[152,8 - 84,0 - 293(0,525 - 0,296)] = 0,41 кВт.
Эксергия поступаю щего в установку греющего пара (только на испарение):
•Егисп = T ^ j l 2725-5 - 84’° - 293(6,993 - 0,296)] = 164,4 кВт.
Терм одеф ормационная составляю щ ая эксергии поступаю щего в установку рас­
твора равна нулю Ei = 0.
Вторичные энергорегурсы
❖
261
Тогда
£вх = E l + Е 2иСП = 164,4 кВт.
Затраты эксергии на дегидратацию раствора (см. пример 2.12):
АЕ7
0,3
Потери эксергии со вторичным паром (см. пример 2.12)
£
Ет
164.4
■ЮО = 70,4%.
Потери эксергии с концентрированны м раствором (см. пример 2.12)
—
— = 7 ^ 7 = 1-3%.
Ет
164,4
Потери эксергии с охлажденным конденсатом греюшего пара
^
^
= ^ ■ 1 0 0 = 0,2%.
164,4
Эксергия тепловых потерь
Е6
1,9
Е ^вх
164-4
100= 1,2%.
Таким образом, потери эксергии с теплотой потоков, выходящих из установки,
составляют 70.4 + 1.3 + 0,2 + 1,2 = 73,1% от подведенной эксергии; основная
доля приходится на эксергию теплоты вторичного пара, который необходимо
использовать (см. пример 6.3).
Подводимая к установке эксергия уменьшилась на [(195,3 - 164,4)/195,3] х
х 100 = 16,3% по сравнению с установкой, где теплота на нагрев раствора
подводится с греющим паром. Расход греющего пара также уменьшился на
1(1035 - 871.4)/1035] = 15.8%.
Потери эксергии из-за необратомости процессов в установке
D = Ез + E i + E ôqtui + E q —^
D = 2,1 + 115,8 + 0,41 + 1 ,9 - 164,4 = -44,2 кВт,
что составляет
100 = 26,8%.
Ү ,Е т
164,4
Эта относительная величина такая же, как при нагреве исходного раствора
греющим паром в выпарном аппарате (см. пример 2.12).
Для утилизации теплоты сточных вод, а также теплоты воды после тепло­
обменных аппаратов, которая обычно охлаждается на градирнях, в мировой
практике применяется тепловой насос Templi/er (США) [Electro in Technihen
Ausbau 38(1980), A 4/5 Juli/Septem ber]. Он работает по замкнутому циклу, от
источника теплоты с температурой от 18 до 54 JС, температура получаемой
горячей воды колеблется от 60 до 104°С. Ф ирмой выпускаются тепловые
262
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава»)
Рис. 6-8. Утилизация теплоты горячей загрязненной жидкости с помощью пароэжекторного
теплового насоса
насосы единичной тепловой мощ ностью ( 3 0 ...5 0 0 0 )кВт. В моделях мощно­
стью (3 0 0 .. .5000) кВт используются герметичные центробежные компрессоры,
в моделях мощ ностью ( 3 0 ...3 0 0 )кВт — герметичные порш невые компрессоры.
К оэф ф ициент преобразования находится в пределах 3 .. .6 [48].
Для утилизации теп.юты горячих загрязненных жидкостей могут быть ис­
пользованы тешонасосные установки с паровым эжектором. Горячая загрязнен­
ная ж идкость 1 (рис. 6-8) поступает в аппарат
А, в котором с помощ ью парового эжектора Э
поддерживается вакуум. Температура жидкости
] на ( 5 ... 10) К выше температуры насыщ ения,
соответствую щей этому вакууму. П опав в аппа­
рат А. ж идкость 1 мгновенно вскипает, ее пары
3 сжимаются эж ектором Э. работаю щ ем на паре
4 высокого давления. Смесь 5 пара 3 и пара 4
при давлении меньш е, чем у пара 4, но больше,
чем у пара 3, поступает потребителю ПТ. Кон­
центрированная остывш ая ж идкость 2 откачи­
вается насосом Н. Процесс ки пения и испаре­
ния ж идкости I происходит адиабатно. Так как
поступление ж идкости 1 неравном ерно во вре­
мени. аппарат А долж ен иметь достаточную ем­
кость для норм ального ф ункци онировани я всей
Рис. 6-9. Утилизация теплоты горячей загрязненной жидкости в
аппарате мгновенного вскипания,
с и с тем ы .
Утилизация теп.юты горячих загрязненных
жидкостей в о зм о ж н а в аппаратах мгновенного
Вторнчные энергоресурсы
❖
263
Рис. 6-10. Утилизация теплоты горячей агрессивной жидкости в аппаратах мгновенного
вскипания с промежуточным теплоносителем
вскипания (рис. 6-9). Горячая загрязненная жидкость / поступает в испаритель
И. где поддерживается вакуум, соответствующий температуре насыщения, ко­
торая должна быть на ( 5 ... 10) К ниже температуры поступающей жидкости /.
За счет скрытой теплоты парообразования происходит вскипание и испарение
жидкости. Парообразование происходит практически одновременно с поступ­
лением жидкости в испаритель. Проиесс в испарителе протекает адиабатно.
Над испарителем располагается конденсатор К. Пары 2 конденсируются на
теплообменной поверхности К, отдавая теплоту конденсации на нагрев потока
3- Чистый конденсат Истекает в поддон-сборник СБ. откуда отводится. Остыв­
шая на ( 5 ... 10) К и сконцентрированная загрязненная жидкость 5отводится из
испарителя. Неконденсируюш иеся газы 6 отсасываются вакуум-насосом.
Утилизацию теплоты горячей агрессивной жидкости целесообразно про­
водить в аппаратах мгновенного вскипания с промежуточным тетоносителем.
Агрессивная горячая жидкость 1 (рис. 6-10) из технологического аппарата А по­
ступает в трубы ТБ аппарата Т, в котором находится промежуточный теплоно­
ситель 2. В аппарате Т поддерживается вакуум, соответствующий температуре
насыщения теплоносителя 2, которая ниже температуры поступающей жид­
кости 1. Теплоноситель 2 испаряется, охлаждая агрессивную жидкость / на
(4 .5 ) К. Пары теплоносителя 2 конденсируются на пучке труб К, отдавая
тепло на нагрев потока 3, например, воды. Конденсат теплоносителя 2 стекает
обратно в низ аппарата Т. Проходя последовательно через несколько аппа­
ратов Т, агрессивная жидкость I охлаждается и собирается в сборнике СБ.
264
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава <}
Н апример, если ж идкость 1 имеет начальную температуру 90 °С, то для того,
чтобы охладить ее до 40 °С, необходимо четыре аппарата Т , если в каждом
из них ж идкость 1 будет охлаждаться на (1 2 ... 13) К. При этом поток 3 может
быть нагрет от 30 до 8 0 °С, нагреваясь на ( 1 2 ... 13 )К в каждом пучке труб К.
Отдав тепло потребителю ПТ, поток 3 при необходимости проходит очистку
в аппарате Ф и вновь подается на нагрев.
6.3.4. Утилизация теплоты сбросных паровых потоков
М ногие процессы химической технологии, наприм ер, выпарка, сушка,
кристаллизация сопровождаю тся выделением водяных
паров с температурой (Ю 0 ...6 0 )°С в зависимости от
давления, при котором происходит проиесс. Эти пары
либо выбрасываются в атмосферу, либо конденсиру­
ются в барометрических конденсаторах, где см еш ива­
ясь с водой конденсат стекает в канализацию . Схема
ут илизации теплоты низкотемпературного водяного пара
путем смешивания его с водой представлена на рис. 6-11.
В аппарат А низкотемпературны й водяной пар 2 по­
дается по трубе ТБ1. Холодная вода I поступает через
отверстия кольцевой трубы ТБ2 на реш етки Р1І1. При
смеш ении водяного пара с водой происходит конденса­
ция пара и нагревание воды. Горячая вода 4 выводится
из аппарата А и подается потребителю. Н еконденсируРис. 6-11. Утилизация ю щиеся газы 3 удаляются либо через воздушку в атм о­
теплоты низкотемпера­ сферу, либо откачиваю тся вакуум-насосом.
Другим способом утилизации теплоты сбросных па­
турного водяного пара
путем смешивания его с ровых потоков является повы ш ение их давления с по­
водой.
мощью термоком прессоров — рекомпрессия паров. После
повы ш ения потенциала пар может снова использовать­
ся в технологическом цикле.
При несовпадении по времени выхода и потреб­
ления пара следует устанавливать паровой аккумуля­
тор (р и с .6-12) [27]. Если давление пара от источни­
ка И П повыш ается, пар через обратный клапан OKI
поступает в водяное пространство аккумулятора АК.
Клапан ОК2 при этом закрыт. Т.к. давление поступа­
ющего пара выше, чем в аккумуляторе, вода в нем
нагревается и испаряется, повышая давление в а к ­
кумуляторе. П роисходит зарядка аккумулятора. Когда
расход пара потребителем ПП превыш ает выход пара Рис. 6-12. Паровой акку­
от источника, давление в л ини и падает ниже давления мулятор.
Вторичные энергоресүрсы
❖
265
в аккумуляторе, открывается обратный клапан ОК2. пар из аккумулятора попупает к потребителю, давление в аккумуляторе понижается, перегретая вода
испаряется — происходит разрядка аккумулятора.
В том случае, когда низкотемпературный водяной пар загрязнен или тре­
буется его дальняя транспортировка. применяются ТНУ с промежуточныи
теплоносителе.» (рис. 6-13). Сбросный
КМ
пар 1, например, при температуре
70!С, поступает в конденсатор-испаритель К -И , где испаряется промежу­
точный теплоноситель 2. Пар теплоно­
сителя 2 сжимается компрессором КМ
и направляется в испаритель-конден­
сатор И -К , в котором вырабатывается
водяной пар 3 давлением до 0,9 МПа
sa счет теплоты конденсации проме­
жуточного теплоносителя 2. Конденсат
промежуточного теплоносителя охла­
ждается в подогревателе-холодильнике
Г-Х, где нагревается подаваемая во­
да 4. ДР — дроссель-вентиль. По сво­
ей сути схема рис. 6-14 представляет Рис. 6-13. Утилизация теплоты низкотемпе­
собой замкнутый цикл парокомпрес­ ратурного водяного пара с помощью ТНУ с
сионного теплового насоса (рис 4-16). промежуточным теплоносителем
Около 80% общего количества получа­
емой энергии составляет теплота сбросного пара 1 и 20% поступает от привода
компрессора КМ.
В качестве конденсатора-испарителя могут применяться обычные пленоч­
к е или кожухотрубные испарители. Если пар загрязнен механическими частиШми, должна предусматриваться его очистка. Коэффициент преобразования
таких установок больше 5. Установки просты в эксплуатации.
6.3.5. Утилизация теплоты вторичного пара в выпарных
установках
В процессах выпаривания практически вся теплота уходит на испарение
маги, которая в обычных схемах удаляется из установки в виде вторичного
пара и выбрасывается в атмосферу. Поэтому большинство способов уменьше­
ния расхода теплоты, затрачиваемой на этот проиесс, связано с использованием
геш,°ты вторичного пара.
Экономия энергии в выпарных установках может достигаться тремя спо­
собами: многоступенчатым испарением; применением термокомпрессора со
266
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава h
струйным сжатием паров (парового эжектора); применением терм оком прес­
сора с м еханическим сжатием паров (компрессора с электроприводом или
с приводом от двигателя внутреннего сгорания).
Многоступенчатая выпарная установка уменьш ает потребление теплоты за
счет использования вторичного пара предыдущего корпуса в последующем
корпусе. Увеличение числа корпусов при­
водит к увеличению абсолю тной эконо­
мии теплоты, но относительная экономия
уменьш ается. Так, двухкорпусная выпарная
установка, по сравнению с однокорпусной
эконом ит 50% пара, а трехкорпусная по
сравнению с двухкорпусной — только 17%.
При этом увеличение количества корпусов
приводит к сниж ению температурного на­
пора в каждом корпусе, что требует увели­
чения плош ади теплопередаю щ их поверх­
ностей и удорожает установку. Возрастание
цены на топливо вызвало увеличение (за
рубежом) количества корпусов в выпарных
установках до 7.
_
...
,,
Рис. 6-14. Утилизация теплоты вторичного пара выпарной установки с
помощью парового эжектора.
При применении парового эжектора Э
(рис. 6-14) вторичный пар 1 выпарного аппарата АВ сжимается с помощ ью пара 2 вы­
сокого давления. П олучаемый пар 3 имеет
давление и температуру больше чем пар 1, но меньш е, чем пар 2. В одно­
корпусной выпарной установке паром 3 обогревается выпарной аппарат АВ,
куда поступает разбавленны й раствор 4, отводится концентрированны й раствор
6 и конденсат 5 пара 3. И збы ток пара 1 (поток 8) или пара 3 (поток 7)
используются в других установках.
В м ногокорпусных установках эжектор можно устанавливать за любым
корпусом установки. Чем ниже давление всасываемого пара, тем полнее ути­
лизация теплоты, но требуется больше энергии на сжатие. Место установки
эж ектора долж но определяться на основании технико-эконом ических расчетов.
Установка эжектора, сжимающ его вторичный пар первого корпуса в трех­
корпусной выпарной установке, делает ее равной по расходу пара четырехкор­
пусной установке и позволяет уменьш ить расход пара на 75% по сравнению
с однокорпусной. Термокомпрессор позволяет увеличить эф ф ективность уста­
новки с меньш ими затратами, чем установка дополнительного корпуса.
П рим енение парового эжектора в семикорпусной установке позволяет вы­
парить 11,5 кг воды на 1кг используемого греющего пара от парового котла
(в обычной однокорпусной установке выпаривается прим ерно 0,9 кг вторично­
го пара на 1 кг греющего).
Вторичные энергорсстрсы
о-
267
6
^ 6 - 1 5 . Утилизация теплоты вторичного пара выпарной установки с помощью ТНУ с
“ прессором а — схема установки, п — изображение процессов в Л - я координатах
ны ^ 3*Х)ВЫе э* ектоРы просты в изготовлении и эксплуатации, высоконадеж• однако негативной стороной такой установки является низкий КПД эжеки необходим ость использования всего количества пара, образующегося
П0« е сжатия.
Использование механического сжатия вторичного пара позволяет устранить
атки тер м о ко м п р е с с о р а с паровым эжектором. Но смазка компрессора
Должна загрязн ять с ж и м а е м ы е пары. Требуется также хорошая сепарация
чтобы капли упариваемого раствора не могли попасть в проточную часть
к Прессора. В отл и чи е о т у стан о в о к с применением струйного компрессора,
щ образуется и зл и ш е к греюшего пара, в ТНУ с турбокомпрессором при-
268
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава б
холится добавлять некоторое количество первичного грею ш его пара для обо­
грева выпарного аппарата. Из трубного пространства выпарного аппарата АВ
(рис. 6 - 15а) вторичный пар 4, имею щ ий давление
поступает в турбоком прес­
сор КМ , где сжимается до рабочего давления р2 ф ею ш его пара и подается для
о б о ф ев а аппарата АВ. За счет энергии, подведенной к компрессору, повы ш а­
ется давление и температура пара (см. рис. 6-156). С этим связанно увеличение,
по сравнению с необходимым, температурного напора между кипяш им раство­
ром и переф еты м паром. Увеличение температурного напора приводит к до­
полнительным потерям эксергии. Таким образом, для увеличения эф ф ективно­
сти работы системы при постоянном расходе теплоты на выпаривание следует
уменьш ить степень сжатия вторичного пара, а недостающ ую теплоту добавлять
с первичны м ф ею щ и м паром (поток 2доп рис. 6-15я). П ервичны й ф ею ш и й пар
необходим также на период пуска установки. К онденсат 5, отводимы й из АВ,
следует использовать для н аф ев а исходного раствора 1 в подоф евателе Г—X,
в котором конденсат 5 охлаждается (см. пример 6.2).
Если приводом компрессора является дизельны й двигатель, то теплота его
выхлопных газов также может быть использована.
Пример 6.3. Определить целесообразность применения термокомпрессора в про­
цессе выпаривания, который происходит при атмосферном давлении. Расход вто­
ричного пара ІГ = 800 кг/час. Расход насыщенного греющего пара т гр.„ = 1035 кг/с,
его давление ргр,„ = 300 кПа. Сравнить полученные результаты с результатами
расчетов примеров 2.12 и 6.2.
Решение. Вторичный пар 4 (рис.6-15а) вы парного аппарата АВ является
насыщ енны м паром (точка 4 рис.6-15£), его степень сухости х = 1, давление
Р4 = Pi = ЮОкПа, энтальпия h4 = 2676кД ж /кг, энтропия s 4 = 7,36 к Д ж /(к гК ),
температура t4 = 99,6 °С (см. прил. 2).
При адиабатном сжатии (s4 = s>) вторично го пара турбокомпрессором КМ
(проиесс 4—2) до давления р-2 = 300 кП а его энтальпия возрастает до значения
Һ-2 = 2886 кД ж /кг (см. прил. 5).
Удельная работа компрессора
^КМ =
(^2 —Һ4),
1км = -(2886 - 2676) = -2 1 0 кД ж /кг.
М ощ ность, затрачиваемая компрессором
N = ^ ,
*7км
где г/км — общ ий КП Д компрессора, принимается ?/км = 0,5
„
800 -2 1 0
„
N = 3 6 Ô Ô -lw = - 93’3 к В т'
Эксергия, потребляемая ком прессором (зн ак «минус» опущ ен)
E m = N = 93,3 кВт.
Вторичныг энсргореслрсы
❖
269
При давлении р-2 - 300 кП а const сжатый перегретый пар охлаждается и кон­
денсируется (процесс 2 - 5 ) , отдавая теплоту Q. Энтальпия конденсата А5 =
= 561 кДж/кг при р 2 = 300 кП а и .г = 0 (см. прил. 2)
Удельная теплота охлаждения и конденсации:
Якона — Һъ — Һ>,
*7конд = 561 —‘2886 = —2325 кДж/кг.
Общий расход теплоты:
^КОНД = И Уконд?
Л
800
чконд — £000 *( —2325) = —516,7 кВт.
Коэффициент парообразования теплового насоса:
_ Q kohj
N
’
-516,7
„г
о? = --------- =г 5,0.
^
-93,3
Тепловая нагрузка выпарного аппарата QKn = 523.8 кВт (см. пример 6.2). От
сжатого вторичного пара подводится Споил = 516.7 кВт. Следовательно, с до­
бавляемым греюшим паром (поток 2Jorl рис.6-15а) необходимо подвести:
Q поп = Q - Q koiu = 523.8 - 516,7 = 7,1 кВт = 26,0 МДж/час.
При давлении рфп = 300 кП а удельная теплота конденсации гф л =
= 2164.1 кД ж /кг (см. прил. 2), тогда необходимый расход добавляемого
феюшего пара
тлоп =
= 3,3 10-3 = 12,0 кг/час.
гф п
2164.1
Таким образом, затраты ф ею ш его пара уменьшились на [(1035 - 12.0)/1035] х
* 100 = 98,8% по сравнению с примером 2.12, когда вся теплота (и на наф ев,
и на испарение) подводилось со свежим ф ею ш им паром. Однако для работы
установки с термокомпрессором требуется элекф оэнергия. Оценить работу
Установки по суммарному поф еблен ию 7.2 кВт тепловой энергии греюшего
пара и 93,3 кВт электроэнергии, поф ебляем ой компрессором, невозможно. Но
возможно провести анализ по суммарным эксергетическим зафатам.
Подведенная с добавляемым греюшим паром эксергия (см. расчет E-j в при­
мере 2.12)
Едоп = ^ [ ( 2 7 2 5 , 5 - 84,0) - 293(6,993 - 0,296)] = 2,3 кВт
эксергии при использовании термокомпрессора складываются из затРат на компрессор и затрат с добавляемым ф ею ш им паром
Затраты
] Г Е „ ту = 93,3 + 2,3 = 95.6 кВт
п Ри
подводе теплоты, необходимой для испарения, только с ф ею ш им паром,
подвод эксергии к установке составлял:
У ] £вх = 164.4 кВт (см. пример 6.2).
270
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
-О
Глава 6
Затраты эксергии на установку при использовании термокомпрессора меньше
на (164,4 - 95,6)/164.4 • 100 = 42%.
С тоимость энергозатрат на установку, работающую с применением ТНУ
Сттну = jVU3JI + <?ЦП.
где Цэл — стоимость электроэнегии, ру б /(к В Т ч ); Цп — стоимость теплоты
греющего пара, руб/М Дж;
Ст™), = 93,3 Ц эл + 26,0 Цп.
С тоимость энергозатрат при обогреве только греющим паром
Ст = (?Цп,
Q = 523,8 кВт = 1885,7 М Дж/час.
Ст = 1885,7 Ц п.
Ц елесообразность применения ТН У зависит от соотнош ения иен на электроэнертию и пар. Н еобходимо также учитывать стоимость установок и их
обслуживание.
В рассчитанной установке:
• доля затрат эксергии на дегидратацию
Е7
_ 0,3
'У ] Е вх хңу
• доля потерь эксергии с охлажденным конденсатом вторичного и ф ею ш его
пара (Еьохл примерно равно значению , рассчитанному в примере 6.2)
Ецот
_ <М1 100 _ 0 4%;
V
95,6
/ .Е
^вх тну
О
доля эксергии, уходящей с концентрированны
м раствором
Е3
= V l_
100 = 2,2%;
V
Е
95,6
/ . ^ВХ.Тңу
доля эксергии тепловых потерь
Ее
V
/ .F
f-'0X тну
1,9
100 = 2,0%.
95,6
’
Таким образом, потери эксергии с теплотой потоков, выходящих из установки,
составляют 0,4 + 2,2 + 2,0 = 4,6% от подведенной эксергии, что значительно
меньш е, чем в примерах 2.12 и 6.2.
Потери эксергии из-за необратимости процессов в установке, в которой
происходит рекуперация теплоты конденсата пара и регенерация теплоты вто­
ричного пара с помощ ью термокомпрессора:
D — Ез + £*5охл 4" Ее
^ ' Евх ТМу,
D = 2,2 + 0,4 + 2,0 - 95,6 = -9 1 ,0 кВт,
Вторичные энергоресурсы
О-
271
что составляет
D
91,0
■100 = 95,2 %.
v = r - ------ =
Еш 7ну
9а,6
Таким образом, в этом примере становятся основными внутренние потери
эксергии. Эти потери сущ ественно не уменьш ить при концентрировании растяоров в выпарных установках. Естественно, что при технико-экономическом
расчете оптимальное реш ение будет определяться не только затратами на греюший пар и электроэнергию , но и ценами на оборудование, а также затратами
на обслуживание установки.
6.3.6. Утилизация теплоты отработанного газа конвективных
сушильных установок
В производствах, использующих биотехнологии, проиесс сушки промежу­
точных и конечных продуктов является одним из наиболее энергоемких про­
цессов. Этот проиесс в основном осуществляется в ковективных сушильных
установках (СУ), на долю которых приходится более 90°с от общего чис­
ла сушилок. В качестве суш ильного агента чаще всего используется воздух,
иногда для предотвращ ения окисления используются другие газы, например,
азот. Тепловой КПД больш инства СУ составляет от 12 редко до 60%. Затраты
энергии достигают 23 МДж на один килограмм удаляемой влаги, что почти
610 раз больше удельной теплоты испарения.
Потери теплоты происходят из-за плохой теплоизоляции и герметизации
СУ, несовершенства конструкции СУ, недостаточной автоматизации, из-за
пересушивания материала, но основные потери — потери теплоты с отра­
ботанным суш ильным агентом, уходящим из СУ, который уносит с собой
теплоту, затраченную на испарение влаги. При температурах отработанного
сушильного агента (3 0 .. ,80°С ), эти потери составляют от 15 до 40% от общего
расхода теплоты на сушку. Очевидно, что рациональное использование теплоты
Уходящего суш ильного агента снизит теплопотери.
Рис, 6-16. Утилизация теплоты отработанного воздуха СУ с помощью теплообменника.
272
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава б
Рис. 6-17. Утилизация теплоты отработанного воздуха СУ с помощью теплообменников с
промежуточным теплоносителем.
В простейш ей установке (рис. 6-16) утилизация теплоты отработанного воз­
духа СУ производится с помощью теплообменника рекуператора ТР, в котором
входяший воздух 1 нагревается потоком отходящего из суш илки СШ воздуха 2.
Д огрев воздуха до требуемой температуры происходит в дополнительном подо­
гревателе ГД с помош ью греющего пара или путем электрообогрева, как пока­
зано на рисунке. Вместо теплообменника-рекуператора может использоваться
теплообм енник-регенератор, аналогично схемам для утилизации теплоты вен­
тиляционны х выбросов (см. рис. 6-26—6-28).
В некоторых случаях утилизацию т ем от ы отработанного воздуха целесооб­
разнее проводить с помощью теплообменников с промежуточным теплоносите­
лем. О тработанный воздух 2 (рис. 6-17) после СШ охлаждается в холодильнике
X и выбрасывается в атмосферу (поток 3). За счет теплоты отработанного воз­
духа нагревается промежуточный теплоноситель 4, который отдает полученную
теплоту на нагрев атмосферного воздуха 1 в подогревателе Г. Ц иркуляция теп­
лоносителя 4 производится насосом Н. В таких условиях теплота, полученная
атмосферны м воздухом в подогревателе Г, недостаточна для нагрева его до
нужной температуры, поэтому устанавливается дополнительны й подогреватель
ГД, работаю щий на теплоносителе 5, например, греющем паре, или за счет
электрообогрева. В качестве промежуточного теплоносителя 4 может быть ис­
пользована вода, раствор хлорида кальция, высокотемпературный органиче­
ский теплоноситель, смесь воды и этиленгликоля и т.п . Хотя эфф ективность
этой схемы примерно равна эфф ективности прямого подогрева входящего воз­
духа уходящим (рис. 6-16), но диаметры трубопроводов для промежуточного
теплоносителя и поверхности теплообменников меньш е, что приводит к мень­
шим затратам. Расход промежуточного теплоносителя выбирается из условия
недопущ ения обмерзания конструкций при низких температурах наружного
воздуха.
Возможна утилизация теплоты отработанного воздуха конвективной су­
шильной установки с помощью теплонасосной установки с разомкнутой схемой
по воздуху. После суш илки СШ (рис. 6-18) отработанны й влажный воздух 2
охлаждается в холодильнике-испарителе Х - И и только после этого выбрасыва­
ется в атмосферу. За счет теплоты, отданной отработанным воздухом, работает
Вторичные энергоресурсы
Рис. 6-18. Утилизация теплоты отработан­
ного воздуха СУ с помощью ТНУ, разомкну­
тая схема по воздуху.
^
273
Рис. 6-19. Утилизация теплоты отрабо­
танного газа СУ с помощью ТНУ, замкну­
тая схема по газу.
теплонасосная установка с рабочим агентом 4. Рабочий агент 4 испаряется
в холодильнике-испарителе Х - И , отбирая теплоту от охлаждающегося воздуха:
сжимается компрессором КМ, при этом повышается его температура; затем 4
конденсируется в подогревателе-конденсаторе Г -К . Температура конденсации
рабочего агента 4 и теплота, выделяющаяся при его конденсации, достаточны
для нагрева воздуха 1 в подогревателе-конденсаторе Г -К . Конденсат рабочего
агента 4 дросселируется через дроссель ДР, при этом его давление и темпе­
ратура понижаются до давления и температуры испарения в холодильникеиспарителе Х -И . Если отработанный воздух 2 охлаждается до температуры
ниже, чем точка росы, то из него конденсируется влага 5, следовательно,
дополнительно выделяется теплота конденсации. Таким образом, увеличива­
ется количество теплоты на испарение рабочего агента 4 цикла теплового
насоса, а, следовательно, увеличивается и количество теплоты, выделяющейся
при конденсации рабочего агента 4 в подогревателе-конденсаторе Г -К . Поток
3 охлажденного воздуха отводится из установки. В качестве рабочего агента
ТНУ используют фреоны, водные растворы этиленгликоля. Теплонасосные
установки могут быть созданы на базе серийно выпускаемого холодильного
оборудования.
Утилизация теплоты отработанного газа конвективных СУ может осуще­
ствляться и с помощью теплонасосной установки с замкнутой схемой по га­
зу — рис. 6-19. Отработанный влажный газ 2 после сушилки СШ охлаждается
в холодильнике-испарителе Х -И до температуры ниже точки росы, поэтому
из него конденсируется влага 5, которая выводится из установки. Остывший
сухой газ 3 нагревается в подогревателе-конденсаторе Г—К, откуда 1 поступает
в СШ . За счет теплоты, выделяющейся при охлаждении газа 2, и теплоты,
выделяющейся при конденсации из него влаги 5, работает цикл теплового
274
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
❖
Глава 6
насоса с рабочим агентом 4. Рабочий агент 4 испаряется в холодильникеиспарителе Х—И, отбирая теплоту от газа 2 и конденсирующихся из него паров
5; сжимается компрессором КМ, при этом повышается его давление и темпе­
ратура; затем конденсируется в подогревателе-конденсаторе Г -К . Температура
конденсации 4 и теплота, выделяющаяся при
КМ
его конденсации, достаточны для нагрева газа
3
в подогревателе-кон
агент 4 теплонасосной установки дросселирует­
ся через дроссель Д Р, при этом его давление
и температура понижаются до давления и тем­
пературы испарения в холодильнике-испарителе Х -И . Для уменьш ения количества тепло­
ты, необходимой для нагрева, применяется байпасирование части отработанного газа 6 мимо
холодильника-испарителя Х—И, что увеличива­
ет температуру потока 3 перед подогревателемконденсатором Г - К , т.е. применяется рецир­
куляция части отработанного газа. Такие схе­
мы особенно целесообразно использовать, ес­
ли суш ильным агентом является азот или иной
газ. Они наиболее эффективны при высокой от­
носительной влажности уходящего из сушилки
газа. При относительной влажности отработан­
Рис. 6-20. Утилизация теплоты
ного газа менее 30% они становятся невыгод­
дефлегмации в РУ: ТНУ, рабо­
ными. Это объясняется уменьш ением доли теп­
тающая по открытому циклу на
лоты конденсации влаги из газа, что приводит
флегме.
к пониж ению температуры испарения в холо­
дильнике-испарителе Х - И и, соответственно, при постоянной температуре
конденсации в Г - К , к уменьш ению коэф фициента преобразования ТНУ.
6.3.7. Утилизация теплоты в процессах ректификации
Р ектиф икационны е установки являются крупными потребителями энер­
гии. В традиционно применяемой схеме необходимая для процесса теплота
подводится в куб колонны с ф ею ш им паром, а в дефлегматоре практически
вся подведенная теплота отводится с охлаждающей оборотной водой в окру­
жающую среду. В летний период из-за недостаточного охлаждения оборотной
воды возникаю т проблемы с дефлегмацией и качеством дистиллята. Утилиза­
ция теплоты в процессе ректиф икации в основном сводится к использованию
теплоты дефлегмации (конденсации флегмы и дистиллята). При этом исклю ­
чается слож ная и материалоемкая система охлаждения водой или воздухом
и одновременно исключается влияние температуры окружающей среды на
Вторнчныр энергоресүрсы
Рис. 6-21. Утилизация теплоты дефлегмации в РУ: ТНУ, работающая по
открытому циклу на кубовой жидкости
❖
275
Рис. 6-22. Утилизация теплоты д е ­
флегмации в РУ ТНУ. работающая
на промежуточном рабочем агенте по
замкнутому циклу.
производительность установки. К установке подводится только электрический
кабель вместо паропроводов от котельной или ТЭЦ. Возможно также исполь­
зовать отводимую теплоту при охлаждении дистиллята и кубового остатка (см.
способы использования теплоты горячих жидкостей).
На рис. 6-20 дана схема утилизации теплоты дефлегмации в ректификацион­
ной установке (РУ) с помощью ТНУ, работающей по открытому циклу на флегме.
В этой схеме пары верхнего продукта 2 сжимаются в компрессоре КМ.
Часть сжатых паров 3 является готовым верхним продуктом (дистиллятом)
и отводится из установки. Другая часть 4 поступает в куб колонны К - К
(кипятильник-конденсатор), где за счет теплоты конденсации потока 4 обра­
зуются пары кубового остатка 5. поступающие в низ колонны РК. Конденсат
4 дросселируется через дроссель-вентиль ДР и в качестве флегмы поступает
в верхнюю часть колонны. / — исходная смесь. 6 — кубовый остаток (нижний
продукт).
По другой схеме (рис.6-21) теплота дефлегмации в РУ утилизируется с по­
мощью ТНУ, работающей по открытому циклу на кубовой жидкости. Часть 5
нижнего продукта дросселируется через дроссель-вентиль ДР и после этого
используется в качестве хладагента в дефлегматоре-испарителе Д Ф -И , обеспе­
чивая флегмой 4 колонну РК. С другой стороны, дефлегматор Д Ф -И является
испарителем для потока 5. Пары 5 сжимаются компрессором КМ и направля­
ются в нижнюю часть колонны РК. 3 — готовый верхний продукт — дистиллят.
Возможны и другие варианты схем ректификации с использованием ТНУ
для утилизации теплоты дефлегмации, в частности, схема замкнутого цикла
276
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Рис. 6-23. Утилизация теплоты деф легмации в РУ: ТНУ, работающая на кубовом остатке.
О
Глава fi
Рис. 6-24. Утилизация теплоты д еф л ег­
мации в РУ с промежуточным кипятильником: ТНУ, работающая на части верх­
него продукта.
ТН У с промежуточным рабочим агентом 7, см. рис. 6-22. Рабочий агент 7
испаряется в деф легматоре-испарителе Д ф —И, забирая теплоту от верхнего
продукта 2. После сжатия компрессором КМ рабочий агент 7 отдает теплоту
в конденсаторе-кипятильнике К - К на получение паров 5 для нижней части
колонны. (Остальные обозначения на рис. 6-22—6-25 как на рисунках 6-20
и 6-21).
На схеме рис. 6-23 теплота дефлегмации отбирается с помощью ТНУ, рабо­
тающей на кубовом остатке 6, который после своего расш ирения в дроссельвентиле Д Р поступает в дефлегматор, отбирает теплоту дефлегмации, сж и­
мается в компрессоре КМ и отдает эту теплоту (умноженную на коэф ф и ци­
ент преобразования ТН У ), конденсируясь в конденсаторе-кипятильнике К—К.
Остальные обозначения как на рис. 6-22.
П реимуществом схем с использованием ТНУ для утилизации теплоты
в процессах ректиф икации является уменьш ение суммарной поверхности теп­
лообмена и сниж ение расхода энергии на 2 5 ... 30%, так как при ректификации
близкокипящ их смесей требуются сравнительно небольшие затраты на сжатие
(отнош ение давлений 0 не превышает 2). По схемам с ТН У были спроектиро­
ваны и работают в настоящ ее время установки как в наш ей стране, так и за
рубежом. Срок окупаемости их обычно менее одного года.
Вторичные шгргореслрсы
❖
277
В тех случаях, когда температуры кипения верхнего и нижнего продук­
тов существенно различаются, применение вышеописанных схем требует зна­
чительного сжатия паров в компрессоре КМ, что в свою очередь приводит
к значительному перегреву паров и дополнительным потерям эксергии в кубе
за счет увеличенной разности температур. Здесь следует применять схему РУ
с промежуточным кипятшъником и ТНУ', работающей на части верхнего про­
дукта (рис. 6-24). В кипятильник К -К 2 поступает жидкость с промежуточных
тарелок колонны РК и испаряется за счет конденсации части 3' сжатых в КМ
паров верхнего продукта. Образовавшийся в промежуточном кипятильнике пар
поступает в колонну РК. а часть 3' сконденсированных паров верхнего продук­
та после сброса давления в дроссель-вентиле Д Р поступает в дефлегматор ДФ.
Конденсация части паров 4' происходит при смешении с потоком 3’ за счет
того, что температура потока 3' (после его дросселирования) ниже темпера­
туры конденсации потока 4'. кроме этого теплота может отводиться потоком
воды 8. Флегма 4 возвращается в колонну. Дистиллят 3 удаляется из установки.
Недостающая теплота поступает в кипятильник К -К 1 . обогреваемый греюшим
паром 7. Чем выше давление сжатых паров 3', тем ближе к нижней части
колонны будет находиться отбор жидкости в промежуточный кипят ильник К —
К2, тем больше энергии будет затрачиваться на сжатие и меньше теплоты
поступать с греюшим паром.
Определение оптимального давления сжатия паров верхнего продукта тре­
бует совместного расчета колонны и теплового насоса, так как с изменением
положения отбора изменяется флегмовое число и количество тарелок в ко­
лонне |48].
Тепловой баланс обычной схемы ректификации
Q f + Q гр.п = Улф + Q n + Qw + Q пот.
где индексами обозначены потоки теплоты: ғ — с исходной смесью; грП —
с ф ею ш им паром в кубе К -К 1 , ,ф — с водой в дифлегматоре ДФ ; D —
с дистиллятом; и — с кубовым остатком; ,ют — потерн теплоты в окружающую
среду.
Для энергетического сопоставления примем следующие допущения: в схеме
с ТНУ состав потоков, их расход и температуры сохраняются, только
= 0.
Затраты первичной энергии сосредоточены в величине Qrрп, причем в обычной
схеме полный расход топлива
~ brp.nQrp.ri•
где Ьф п — удельный расход топлива на единицу теплоты, подводимой с ф ею ­
шим паром в куб колонны, кг/ГДж.
В схеме с тепловым насосом
Ва = ЪЬ,
=
278
«•
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
ГлаваН
где Э — затраченная на компрессор электроэнергия; />, — удельный расход топ ­
лива на выработку электроэнергии с учетом потерь в электросети, кгД к В тч );
Ч>= Qrp.n/Э — коэф ф ициент преобразования теплового насоса.
Для суждения о возможной эконом ии или перерасходе топлива в сопостав­
ляемых схемах вводится относительный расход топлива
Ь= — =
^Ф ф.л _
Ьэ
^
^гр.П^ф.П
‘рһгр.п
Для расчета ^ следует по термодинамическим таблицам или диаграммам
определить отнош ение теплоты конденсации паров после компрессора к за­
траченной на сжатие работе. П риближ енно можно рассчитать ip через <рк иде­
ального цикла Карно с эмпирической поправкой:
Гконд
,f
<Р= Г1--------—
,
(6.9)
■*КОНД
ИСП
где Тконд
температура конденсации паров после компрессора, К; Тисп —
температура испарения дистиллята, К; т? = 0.6 — эмпирический коэф фициент.
Определим граничное значение узф , при котором расход топлива для обыч­
ной и теплонасосной схем одинаков, т. е. b = 1, и следовательно:
Лр = 7 ^ .
(6.10)
0ф.П
Если v? < ірф1 то Ь > 1 и получается перерасход топлива, а если ip > ^гр и Ь < 1 то его эконом ия. Если принять Ь3 = 0,35 кгД к В тч ) и ЬфП = 41,8кг/ГД ж (здесь
и далее топливо условное), то </>ф = 2,3 и относительный расход топлива можно
представить как Ь = 2,3/уз. П оскольку v определяется в основном разностью
температур, можно оценить граничное значение этой разности
д т ф = Гконд - Гисп =
у?ф
= 0 , 6 % f « 0,25ГКО„Д.
2,3
Если ГК0Нд = 360 К, то ДТФ = 90 К, т. е. при ТКона - Т„с„ < 90 К тепловой насос
может дать экономию топлива в сравнении с обычной схемой.
В связи с приближ енностью оценок и неучетом влияния дополнительных
эконом ических ограничений значение ДГФ лучше снизить примерно до 60 К.
Для сопоставления теплонасосной и обычной схем их следует рассматри­
вать не изолированно, а совместно с энергетической установкой, снабжающей
их энергией. Греющий пар, вырабатываемый теплоф икационной установкой,
обычно имеет давление 1,2 М Па и температуру около 185 °С. Температура кипе­
ния в кубе ректиф икационной колонны обычно не превышает 100 °С. Греющий
пар перед подачей в теплообменны е устройства дросселируется до давления
0,3 М Па, что вызывает сущ ественные потери эксергии. Д ополнительны е потери
эксергии имеют место из-за значительной разности температур конденсирую ­
щегося греющего пара и кипящ ей в кубе жидкости. Эта разность температур
составляет более 30 К, если пар конденсируется при давлении 0,3 М Па, а кубо­
вая ж идкость кипит при температуре менее 100 °С. Вся энергетическая выгода
теплового насоса состоит в устранении этих потерь и в утилизации теплоты па­
рообразного верхнего продукта (флегмы и дистилята). П ар давлением 1,2 М Па
Вторичные энергоресурсы
❖
279
2
7
I
РК
Э2'Ч
7
Рис. 6-25. Утилизация теплоты дефлегмации в РУ: ТНУ с паровыми эжекторами, работаю­
щая на дефлегматорной воде
можно преобразовать в механическую мощность (или электроэнергию) с КПД
г] = 0,33. Эквивалентный тепловой насос, дающий то же количество теплоты
с потреблением такой же механической мощности, имеет коэффициент преоб­
разования
Если температура кипения в кубе 100’С, а температура паров дистиллята 76°С
(например, вода — этиловый спирт), то после сжатия компрессором темпера­
тура конденсации паров (подаваемых на обогрев куба) должна быть примерно
115°С, тогда
Из полученной оценки следует, что тепловой насос дает то же количество
теплоты, потребляя вдвое меньше энергии.
Утилизация теплоты дефлегмации с помощью ТНУ с паровыми эжек­
торами, работающей на дефлегматорной воде, дана на рис. 6-25. Вода
7, охлаждающая дефлегматор ДФ. отобрав в нем теплоту конденсации
верхнего продукта, направляется в теплообменники Т1 и Т2 для до­
полнительного подогрева и затем поступает в бак-расш иритель Б. Пар
самоиспарения воды сжимается в двухступенчатом паровом эжекторе
Э1 и Э2 с помощью греющего пара 8 и направляется в куб колон­
ны К - К как греющий агент. Коэффициент использования первичной
энергии такого теплового насоса невысокий — 1,18. Привлекательными
280
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
О
Глава в
Рис. 6-26. Утилизация теплоты вентиляционных выбросов при помощи вращающегося
регенеративного теплообменника.
в этом случае
эксплуатации.
являются
небольш ие
капиталовложения
и
надежность
Более подробно утилизация теплоты с помощью теплонасосных установок
рассмотрена в книгах [7,48].
6.3.8. Утилизация теплоты вентиляционных выбросов
На предприятиях биотехнологического профиля, имеющих ( 7 ... 15) крат­
ный обмен воздуха в час, на вентиляцию расходуется (20 ...3 0 )% от общ е­
го теплопотребления. Вентиляционный воздух, выбрасываемый в атмосферу,
уносит с собой практически всю теплоту, затраченную на его нагрев. Но
вентиляционные выбросы загрязнены избыточной влагой, вредными газами,
парами, пылью, что ослож няет их утилизацию.
Использование теплоты вентиляционных выбросов позволяет снизить рас­
ход топлива на отопление промышленных предприятий не менее чем на
(3 5 ... 40)%. В настоящ ее время имеется достаточно разработок для использова­
ния теплоты вентиляционных выбросов. Это установки с вращающ имися ре­
генеративными теплообм енниками, установки с промежуточным теплоносите­
лем, установки с тепловыми трубами, установки с циркуляцией теплоносителя
в кипящ ем слое в регенеративном теплообменнике.
Схема установки с промежуточным теплоносителем аналогична схеме уста­
новки для утилизации теплоты конвективной суш ильной установки (см.
р и с .6-17).
Вторичные энергоресурсы
❖
281
Рис. 6-27. Утилизация теплоты вентиляционных выбросов в регенеративном теплообмен­
нике с тепловыми трубами.
Возможно применение установки с вращающимся регенеративным теплооб­
менником. Воздух 4 (рис. 6-26) из производственного помещения U вытяжным
вентилятором ВВ подается в половину секций непрерывно вращающегося ре­
генеративного теплообменника ТР и нагревает материал этих секций. Другая
половина секций отдает тепло холодному наружному воздуху 1. Например, при
температуре + 2 4 °С вытяжного воздуха 4, холодный воздух I может быть нагрет
от - 9 до + 16°С. Поток 2 с температурой + 16°С дополнительно нагревается до
+ 18 °С в калорифере ГВ. Поток 3 с температурой +18 °С подается приточным
вентилятором ВП в производственное помещение Ц. Теплоаккумлирующим
материалом в ТР могут быть отходы производства искусственного волокна
и полимерные материалы, листы технического картона или листовой алюми­
ниевой фольги и т.д. При использовании таких установок в помещение Ц
возвращается ( 7 0 ... 75)% теплоты.
Вместо вращающегося регенеративного теплообменника может быть ис­
пользован неврашаюшийся регенеративный теплообменник с тепловыми труба­
ми. Воздух 4 (рис. 6-27) из производственного помещения Ц вытяжным вен­
тилятором ВВ подается в вытяжной канал КВ, где остывает и выбрасывается
в атмосферу (поток 5). Свежий воздух 1 приточным вентилятором ВП пода­
ется в приточный канал КП, где нагревается до промежуточной температуры.
Окончательный нагрев воздуха осуществляется в калорифере ГВ, после кото­
рого воздух поступает в производственное помещение Ц. Передача теплоты
из вытяжного канала КВ в приточный канал КП осуществляется с помощью
тепловых труб ТТ. Рабочая жидкость, например фреон, с соответствующей
температурой кипения кипит в нижней части тепловой трубы, отбирая теплоту
от вытяжного воздуха, пары жидкости поднимаются в верхнюю часть трубы
282
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
U
❖
Глава 6
ос
Рис. 6-28. Утилизация теплоты вентиляционных выбросов в регенеративном теплообмен­
нике с кипящим слоем зернистого промежуточного теплоносителя.
и конденсируются, отдавая теплоту приточному воздуху, конденсат стекает
обратно в низ трубы.
В качестве регенеративного теплообменника используются теплообменники
с кипящим слоем зернистого промежуточного теп.юносите.гя. Теплый воздух 3
(рис. 6-28) поступает в секцию TPI регенеративного теплообм енника, где отда­
ет тепло зернистой насадке 6. Насадка отдает тепло промежуточному жидкому
теплоносителю 5, который с помощ ью насоса Н непреры вно циркулирует по
замкнутому контуру оребренных труб ТБ. В секции ТР2 теплота передается
от оребренных труб ТБ к насадке 6, а от 6 к холодному воздуху 1, который
нагревается. Нагретый поток 2 подается потребителю. Остывший воздух 4
выбрасывается в атмосферу. РШ — газораспределительная реш етка. Давление
потоков / и 3 таково, что зернистая насадка находится в состоянии кипения.
subsectionflushgluedottedtocline23.5em 1 5em
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Терм одинамические свойства воды и водяного пара.
С остояние насы щ ения (по тем пературам)
°с
р - 10-5 ,
Па
v' ■1 0 \
v"
м3/к г
м3/к г
0
1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
140
150
160
170
180
190
200
210
0,006108
0,006112
0,008718
0,012271
0,017040
0,023368
0,03166
0,04242
0,05622
0,07375
0,09582
0,1234
0,1574
0,1992
0,2501
0,3116
0,3855
0,4736
0,5780
0,7011
0,8452
1,0132
1,2080
1,4326
1,6905
1,9854
2,3209
2,7012
3,1306
3,6136
4,7597
6,1804
7,9202
10,027
12,552
15,551
19,079
1,0002
1,00022
1,000
1,0003
1.0008
1,0017
1,0029
1,0043
1,0060
1,0078
1,0099
1,0121
1,0145
1,0171
1,0199
1,0228
1,0259
1,0292
1,0326
1,0361
1,0398
1,0437
1.0477
1,0519
1,0562
1,0606
1,0652
1,0700
1,0750
1,0801
1,0908
1,1022
1,1145
1,1275
1,1415
1,1565
1,1726
206,321
206,175
147,167
106,419
77,970
57,833
43,399
32,929
25,246
19,548
15,278
12,048
9,5812
7,6807
6,2042
5,0479
4,1356
3,4104
2,8300
2,3624
1,9832
1.6738
1.4200
1,2106
1,0369
0,8920
0,7707
0,6685
0,5821
0,5088
0,3926
0,3068
0,2426
0,1938
0,1563
0.1271
0.1042
t,
9,
А',
г,
А",
кДж/кг кДж/кг кДж/кг кДж/
(кг К)
-0,02
-0,04
2501,0
2501,0
2501,0
0,0000
2501,0
0.0006
2489,2
0,0762
21,01
2510,2
0,1510
2519,4
2477,4
41,99
62,94
2465,7
0,2243
2528,6
2453,8
0,2963
83,86
2537,7
0,3670
2442,0
104,77
2546,8
0,4365
2430,2
125,66
2555,9
2418,4
0,5049
146,56
2565,0
0,5721
167,45
2574,0
2406,5
0,6383
2582,9
2394,5
188,35
0,7035
2385,0
209,26
2591,8
0,7677
2600,7
2370,5
230,17
2358,4
0,8310
251,09
2609,5
2346,2
0,8933
272,02
2618,2
2626,8
2333,8
0,9548
292,97
2321,4
1,0154
313,94
2635,3
1,0752
334,92
2643,8
2308,9
355,92
2652,1
2296,2
1,1343
2283,4
1,1925
376,94
2660,3
2668,4
2270,4
1,2500
397,99
2257,2
1,3069
419,06
2676,3
1,3630
440,17
2684,1
2243,9
461,32
2691,8
2230,5
1,4185
2697,8
2216,8
1,4733
482,50
1,5384
2706,6
2202,9
503,70
525,00
2713,8
2188,8
1,5813
2174,4
1,6344
2720,7
546,30
2727,4
567,70
2159,7
1,6869
589,1
2734,0
2144,9
1,7390
2746,3
2114,1
1,8416
632,2
2757,7
2082,2
1,9425
675,5
719,1
2048,9
2,0416
2768,0
763,1
2014.0
2,1393
2777,1
1977,4
2,2356
807,5
2784,9
2,3307
852,4
2791,4
1939,0
1898.6
2,4247
897,8
2796,4
s",
кДж/
(кг К)
9.1565
9.1562
8,9496
8,9009
8,7815
8,6674
8,5583
8,4537
8,3536
8.2576
8,1655
8,0771
7,9922
7,9106
7,8320
7,7565
7.6837
7,6135
7,5459
7,4805
7,4174
7,3564
7,2974
7,2402
7,1848
7.1310
7.0788
7,0281
6,9787
6,9307
6,8381
6,7498
6,6652
6.5838
6,5052
6,4289
6,3546
Параметры критического состояния:
Давление, Па ........................................................................... 2,2115 • 10'
Температура, °С .............................................................................. 374,12
Удельный объем, м3/к г ............................................................. 0,003147
Удельная энтальпия, кДж/кг ...................................................... 2095,2
Удельная энтропия, кДжДкг-К) ................................................. 4,4237
284
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложение 2
Т ерм одинам ические свойства воды и водяного пара.
С остояние насы щ ения (по давл ен и ям )
я,
h '\
h!,
г,
кДж /кг кДж /кг кД ж /кг кД ж /
(кг-К)
2513,8
2484,5
0,1060
129,208 29,33
2539.7
0,3119
54,256 88,44
2451.3
0,4762
2561,2
2423.4
28,196 137,77
2405,7
19,241 168,77
2574,5
0,5763
2584,4
2392,6
0,6493
14,676 191,84
2372,9
0,7549
10,025 225,98
2598,9
0,8321
7,6515 251,46
2609,6
2358,1
2346,1
0,8932
6,2060 271,99
2618.1
0,9441
5,2308 289,31
2525,3
2336,0
2319,2
1,0261
3,9949 317,65
2636,8
1.1454
2,7329 359,93
2653,6
2293,7
2,0879 391,72
2666,0
2274,3
1,2330
2258,2
1,3027
1,6946 417,51
2675,7
2226,8
1,4336
1,1597 467,13
2693,9
1,5301
2202,2
0,8859 504,7
2706,9
1,6072
2717,2
2181,8
0,7188 535,4
2725,5
2164,1
1,6717
0,6059 561,4
0.5242 584,3
2148,2
1,7273
2732,5
0,4624 604,7
2133,8
1,7764
2738,5
2120,6
1,8204
0,4139 623,2
2743,8
2108,4
1.8604
0,3748 б40,1
2748,5
2756,4
2086,0
0,3156 670,4
1.9308
2065,8
1,9918
0,2727 697,1
2762,9
2768,4
2047,5
2,0457
0,2403 720,9
2030,4
2.0941
2773,0
0,2148 742,6
2014,4
2,1382
2777,0
0,1943 762,6
2780,4
1999,3
2,1786
0,1774 781,1
2783,4
2.2160
0,1632 798,4
1985,0
1971,3
2,2509
2786,0
0,1511 814,7
2788,4
2,2836
1958,3
0,1407 830,1
2790,4
1945,7
2,3144
0,1316 844,7
2792,2
2,3436
1933,6
0,1237 858,6
2,3712
2793,8
1922,0
0,1166 871.8
1910,5
2,3976
2795,1
0,1103 884,6
2796,4
1899,6
2,4227
0,1046 896,8
2797,4
1888,8
2,4468
0,0995 908,6
р-10- 5 , t,
Па
°с
ь' ■103, V" ■
>
0,01
0,025
0,050
0,075
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,40
0,60
0,80
1,00
1,5
2.0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
15.0
16,0
17,0
18,0
19,0
20,0
1,0001
1,0020
1,0052
1.0079
6,98
21,09
32,90
40.32
45,83
54,00
60,09
64,99
69,12
75.89
85,95
93,51
99.63
111,37
120,23
127,43
133,54
138,88
143,62
147,92
м3/к г
1,0102
1,0140
1,0172
1.0199
1,0223
1.0265
1,0333
1,0387
1,0434
1,0530
1,0608
1,0675
1,0735
1,0789
1,0839
1,0885
151,85 1,0928
158.84
164,96
170,42
175.36
179,88
184,06
187,96
191,60
195,04
198,28
201,37
204,30
207,10
209,79
212,37
1,1009
1,1082
1,1150
1,1213
1,1274
1,1331
1.1386
1,1438
1.1489
1,1538
1.1586
1,1633
1,1678
1,1722
1,1766
м3/к г
.i",
кД ж /
(кг К)
8,9756
8,6431
8,3952
8,2517
8.1505
8,0089
7,9092
7,8321
7,7695
7,6711
7.5332
7.4360
7,3608
7,2248
7.1286
7,0540
6,9930
6,9414
6,8966
6.8570
6,8215
6,7598
6,7074
6,6618
6,6212
6,5847
6,5515
6,5210
6,2509
6,4665
6,4418
6,4187
6,3967
6,3759
6,3561
6,3373
Параметры критического состояния:
Давление, Па ............................................................................. 2,2115 ■107
Температура, °С ................................................................................ 374,12
Удельный объем, м3/к г ............................................................... 0,003147
Удельная энтальпия, кД ж /кг ....................................................... 2095,2
Удельная энтропия, кДж/(кг-К) .................................................. 4,4237
П риложения
❖
285
Приложение 3
Вола и перегретый водяной пар
Единицы физических величин: (,°С ; г.м 3/к г ; ft,кД ж /кг. s ,кД ж Д кг К)
Параметры критического состояния:
Давление, Па ............................................................... 2,2115 • Ю7
Температура, °С ................................................................... 374,12
Удельный объем, м3/ к г ................................................. 0,003147
Удельная энтальпия, к Д ж /к г .......................................... 2095,2
Удельная энтропия, к Д ж /(к г К ) ..................................... 4.4237
t
0
10
20
Р = 1 кПа
t. = 6,982 h" = 2675.7;
v" = 1,6946; я" = 7,3608
«
V
h
P - S кПа
t, = 120,23; h" = 2706,9;
v" = 0,88592; s" 7,1286
v
h
s
0,0
0,0001
0,0010002
0,0
0,0001
0,0010002
250
130,60
135,23
139,85
144,47
149,09
172,19
195,27
218.3
241.4
2519.5
2538.1
2556.8
2575.5
2594.2
2688.3
2783.4
2879,7
2977.4
8,9956
9,0604
9,1230
9,1837
9.2426
9.5132
9.7523
9.9674
10,1636
(
Р = 20 кПа
t, = 60,09; h" ~ 2609.6;
1’" = 7,6515; s" = 7,9092
v
h
s
0,1510
42.0
0,0010002
0,2963
0,0010017 83.9
0,0010043 125.7 0.4365
28,86
2574.6 8,4385
2593.4 8,4977
29,78
2687.9 8,7695
34,42
39,04
2783.1 9,0091
2879.5 9,2244
43,66
2977,3 9.4207
48,28
P = 30 кПа
t, =69,12; h" = 2625,3;
!■" = 5.2308; a" = 7,7695
h
v
s
30
40
50
100
150
200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
200
150
200
250
0,0010002
0.0010002
0,0010017
0,0010043
0,0010078
0,0010121
0,0010171
7,884
8,119
8,352
8,568
9,748
10,907
12,064
0,0
0,0001
42.0
83.9
125.7
167,5
209,3
251.1
2628,6
2647.8
2667.0
2686.1
2782.1
2878.8
2976.7
0.1510
0,296.3
0,4365
0,5721
0,7035
0.8310
7,9654
8,0205
8.0740
8,1261
8.3674
8,5834
8.7802
0.0010002
0,0010002
0,0010017
0,0010043
0,0010078
0,0010121
0,0010171
5,245
5,402
5,559
5,716
6,494
7,268
8,040
0,0
0.0001
42,0
83.9
125.7
167.5
209.3
251,1
2626.9
2646.3
2665.7
2684.9
2781.4
2878.4
2976.4
0,1510
0.2963
0,4365
0,5721
0,7035
0,8310
7,7744
7.8301
7,8841
7,9365
8,1790
8.3956
8,5926
P - 10 кПа
f, = 133,54; h" = 2725,5;
v" = 0,60586; s"
Я
v
6.9930
â
0,0010002
0,0010002
0,0
0,0001
42,0
83,9
125.7
167,4
2592.3
2687.3
2782,8
2879.3
2977.1
0.1510
0.2963
0,4365
0,5721
8,1752
8,4484
8,6885
8,9041
9,1006
0,0010017
0,0010043
0.0010078
14,87
17,20
19.51
21,82
24,14
P•
50 кП а
(, = 81.35 ; h" - 2646.0;
v" —3,2415; s" —7.5951
я
v
h
0,0010002
0.0010002
0.0010017
0,001004.3
0,0010078
0,0010121
0.0010171
0,0010228
0,0010292
3,324
3,419
3,890
4.356
4,820
0.0
0,0001
42.0
83.9
125,7
167.5
209.3
251,1
293.0
334.9
2063.0
2682,6
2780.0
2877.5
2975,8
0,1510
0,2963
0,4365
0,5721
0.7035
0,8310
0,9548
1,0752
7,6425
7,6958
7,9407
8,1584
8,3560
286
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕР М О Д И Н А М И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И КА
Приложение 3 (окончание)
<
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
НО
120
130
150
190
200
220
250
t
0
10
20
30
40
50
100
150
200
250
370
t
0
10
20
30
40
50
100
150
200
250
P = 100 кПа
ts = 99,63; h" = 2675,7;
v" = 1,6946; s” = 7,3608
v
ft
s
P = 200 кПа
t, =120,23; h" = 2706,9;
v" = 0,8859; s" = 7,1286
v
ft
s
0,0010002
0,0010002
0,3
0,0001
42.3
0,1510
84.1
0,2962
125,9 0,4364
167.7 0,5720
0,0010120
209.5 0,7034
0,0010170 251.3 0,8308
0,0010227 293.2 0.9546
0,0010291 335.1 1,0751
0,0010360 377.1 1,1924
0,0010436 419.2 1,3067
0.0010518 461.4 1,4184
0,0010606 503.8 1,5275
0,0010700 546.3 1,6343
0,6340
2761.2 7,0790'
0.7002
2845,0 7,2684
0,7164
2865,6 7,3123
0,7486
2906.5 7,3970
0,7964
2967.5 7,5172
P = 2.0 МПа
ts = 212,3 7; ft" = 2796,4;
v" = 0,09953; s"
6,3373
v
ft
s
0,0001
0.0009992 2,0
0,0009997 1,0
0,0000
0,1509 0,0009993 43,9
0.0009998 43,0
0,1508
0,0010013 84.8
0,2961 0,0010008 85,7
0,2959
0,010039
126,6 0,4362 0.0010034 127.5 0,4359
0,0010074 168,3 0,5717 0,0010069 169,2 0,5713
0,0010117 210,1 0,7030 0,0010112 211,0 0,7026
0,0010432 419,7 1,3062 0,0010427 420.5 1,3054
0,0010904 632.5 1.8410 0,0010897 633,1 1,8399
2827.5 6.6940 0,0011560 852.6 2,3300
0,2059
2942.8 6,9256 0,1115
2902,5 6,5460
0,2327
3200,2 7,3690 10,1436
0,2921
3181,8 7,0278
P = 10,0 МПа
P = 5,0 М Па
t, = 263,92; h" = 2792,8;
t , = 310; ft" = 2724,4;
v" = 0,03941; s"
5,9712
5,6143
v" = 0,01800; s"
s
ft
s
v
ft
v
0,0002
0,0005
0,0009977 5,1
0,0009953 10,1
0.1505 0,0009956 51.7
0,1500
0,0009979 46.9
0,2942
0,2952 0,0009972 93,2
0,0009995 88,6
130,2 0,4350 0,0009999 134.7 0,4334
0,0010021
171.9 0,5702 0,0010034 176,3 0,5682
0,001056
0,0010099 213,6 0,7012 0,0010077 217.8 0,6989
0,0010412 422J
426,5 1,2992
1,3030 0,010386
638,1 1,8312
0,0010877 635,0 1,8366 0,010843
0,0011530 853.8 2,3253 0,0011480 855.9 2,3176
0,012494
1085.8 2,7911 0,0012406 1085.9 2,7794
0,0
0,0001
42.1
84.0
125,8
167.5
209,3
251.2
293.0
335.0
377.0
2676.5
2696.7
2716.8
2736.8
2776.4
2855.4
2875.2
2914,7
2974.2
0,1510
0,2963
0,4365
0,5721
0.0010121
0,7035
0,0010171
0,8309
0,0010228
0.9548
0,0010292
1,0752
0,0010361
1,1925
1,696
7,3628
1,745
7,1464
1,793
7,4681
1,841
7,5182
1,937
7,6143
2,125
7,7927
2,172
7,8348
2,266
7,9166
2,406
8,0337
P = 500 кПа
t s = 151,85; h" = 2748,5;
v" = 0,37481; s" 6,8215
ft
s
v
0,0010017
0,0010043
0,0010078
0.5
0,0001
0,1509
42,5
0,2962
84,3
126,1 0,4364
167,9 0,5719
209.7 0,7033
419.4 1,3066
632,2 1,8416
2855.4 7,0603
2960.7 7,2716
3209,1 7,6991
3,0 М Па
t, = 233,34; h" = 2801,9;
v" = 0,06662; s"
6,1832
0,0010000
0.0010000
0,010015
0,0010041
0,0010076
0,0010119
0,0010435
0,0010908
0,4249
0,4744
0,5890
P=
v
0,0009987
0,0009988
0,0010004
0,0010030
0,0010065
0,0010108
0,0010422
0,0010890
0,0011550
0,07058
ft
3.0
44,9
86.7
128,4
170.1
s
0,0001
0.1507
0,2957
0,4356
0,5709
211.8 0,7021
421.2 1,3046
633.7 1,8388
853.0 2,3284
2855.2 6,2867
0,0010001
0,010002
0,2
0,0001
42.2
0,1510
84.0
0,2963
125.8 0,4364
167.6 0,5720
209.4 0,7034
0,0010120
0,0010171 251.2 0,8309
0,0010228 293.1 0,9547
335.0 1,0752
0,010291
0,0010361 377.0 1,1924
0,0010437 419.1 1.3068
0,0010518 461.4 1.4184
0.0010606 503.7 1,5276
0,9104
2727.5 7,1803
0,9598
2769,0 7,2807
1,056
2850.3 7,4643
2870.4 7,5073
1,080
1,128
2910.6 7,5905
1,199
2970.8 7,7091
P = 1.0 М Па
ts = 179,88; h" = 2777,0;
v" = 0,19430; s" 6,5847
ft
s
v
0,0010016
0.0010042
0.0010077
P = 300 кПа
t, = 133,54; h" = 2725,5;
v" = 0,60586; s" 6,9930
v
ft
s
0,0010001
0,0010001
0,0010016
0,0010042
0,0010077
Приложение 4
t —а диаграмма для диоксида углерода
4.14
4.61
Удельная .штроиин л, к /іл /ім К)
Приложение 5
288
h —s диаграмма для водяного пара
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ
ТЕРМ О ДИНАМ ИКА
И ТЕПЛОТЕХНИКА
П р и чож ен ия
•i'iiiu i Ш! н ія га д в
!
IIІЯ і5 (ІІІЯ В Ід
;$»шіли№ :»і!іішд
№ВД!$!Ш№Ші?іія
î5!5S8i!i?S««l!IÜtiHMee
Ж
Ш №
Ш 6л'.чг.м
М іШ
мчА- JЧ
K ii%
^ ik '»Ш
' .\v v»\vi.«;A
' vv.v i .44k'à'v«k
. лчm*
р р т ш
м
ш
щ
н і т г р і ш
ш
т
❖
289
2 90
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕР М О Д И Н А М И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И КА
Приложение 6
T — s диаграмма для воздуха
Температура Г, К.
s, к Д ж /(к г К)
Удельная энтропня s, кД ж /(к г К)
Приложение 8
292
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ
ТЕРМ О ДИН АМ ИКА
И ТЕПЛОТЕХНИКА
П риложения
Приложение 9
Т еплоем кости газов (по C.J1. Ривкину)
t__
°c
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
175
200
250
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
кД ж Д кг К)
Воздух
1,0019
0,7147
1,0023
0,7151
1,0032
0,7159
1,0040
0,7168
1.0057
0,7184
1,0073
0,7201
0.7226
1,0098
1,0128
0,7256
1,0157
0,7285
0,7327
1,0199
1,0241
0,7369
1,0337
0,7465
Кислород О:
0,9102
0,6502
0,6515
0,9115
0,9136
0,6536
0.6569
0.9169
0,9215
0.6615
0.9265
0.6665
0,9328
0.6728
0,6799
0,9399
0,9473
0,6873
кД ж Д кг К)
Азот N 3
1,0387
-50
0,7419
1,0387
-25
0,7419
0
1,0387
0,7419
1,0392
25
0,7423
1,0400
50
0.7432
1,0408
75
0,7440
100
1,0421
0,7444
1,0438
125
0,7465
1,0459
150
0.7490
175
1,0484
0.7515
200
1,0517
0,7549
1,0597
250
0.7628
Диоксид углерода СО..
-50
0,7612
0.5723
-25
0,7896
0,6008
0
0,8173
0,6284
25
0,8436
0,6548
50
0,8688
0,6799
75
0,8926
0.7038
100
0,9156
0,7268
125
0.9374
0,7486
150
0.9575
0,7687
‘О1
293
294
❖
Приложение 10
1,25
0,77
1,78
1,171
—
2,673
1,293
0,899
0,179
2,93
1,98
1,429
0,72
1,25
—
2,02
1,91
1,54
3,22
2,3
1,36
1,26
Моляр­
Газовая по­
ная масса, стоянная,
кг/кмоль
Д ж Д кгК )
28
17
39,9
26,0
78,1
58,1
29,0
2,02
4,0
46,0
64,1
44,0
32
16,0
28,0
72,2
44,1
42,1
34,1
70,9
50,5
30,1
28,1
297
488
209
320
106
143
287
4130
2080
181
130
189
260
519
297
115
189
198
244
117
165
277
297
1,40
1,29
1,66
1,24
1,1
1,08
1,40
1,407
1,66
1,31
1,25
1,30
1,40
1,31
1,40
1,09
1,13
1,17
1,30
1,36
1,28
1,2
1,2
Темпера­
тура кипе­
ния °С
Удельная
теплота
испарения,
кД ж /кг
-195,8
-33,4
-185,9
-83,7
+80,2
-0,5
-195
-252,8
-268,9
199,4
1374
163
830
394
387
197
455
19,5
712
394
574,0
213
511
21,2
-10,8
-78,2
-183,0
-161,6
-191,5
36,1
-42,1
-47,7
-60,2
-33,8
-24,1
-88,50
-103,7
212
360
427
440
549
306
406
486
482
Критические точки
Темпера­
Давление
тура, °С
(абсолют­
ное), МПа
-147,1
3,349
132,4
11,15
-122,4
4,800
35,7
6,16
288,5
4,77
152
3,75
-140,7
3,72
-239,9
1,280
-268,0
0,226
158,2
10,000
157,5
7,778
31,1
7,29
-118,8
4,971
-82,15
4,56
-140,2
3,453
197,1
3,30
95,6
4,3
91,4
5,54
100,4
18,89
144,0
7,61
148
6,60
32,1
4,885
9,7
5,07
И ТЕПЛОТЕХНИКА
N2
NH3
Аг
С2Н2
СбНб
С4Нш
н2
Не
no2
so2
со2
о2
СН,(
со
CsOi2
СдНв
СзНб
H2S
сь
CH 3C 1
с 2н 6
с 2н.,
Плот­
ность,
кг/м 3
ТЕРМ О ДИН АМ ИКА
Азот
Аммиак
Аргон
Ацетилен
Бензол
Бутан
Воздух
Водород
Гелий
Диоксид азота
Диоксид серы
Диоксид углерода
Кислород
Метан
Оксид углерода
Пентан
Пропан
Пропилен
Сероводород
Хлор
Хлористый метил
Эган
Этилен
Формула
II
Название
ТЕХНИЧЕСКАЯ
О сновны е ф и зи ческие свойства некоторы х газов (паров)
П риложения
❖
Приложение 11
Терм одинамические свойства некоторы х чисты х вещ еств
Соединение
Состояние
СНзОН
С 2 Н5ОН
Сг Н<
СзНй
СзН 8
СО
С12
SO,
SOJ
С
HCN
со2
COCI»
и
Н1
H,S
НгО
NH 3
Н,
сн »
с ан 2
NO 2
NO
N2
О2
О
н
S2
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
г
^298»
кДж/(кмоль К.)
237.81
282,19
219.59
267.11
270,09
198,03
223,09
248,69
256,39
5,6978
201,92
213,78
289,43
260,75
206,46
205,78
188,85
192,63
130,67
186.31
200,95
240.61
210,75
191.62
205.16
160,697
114.693
227,660
-AG29, 10 '* .
кДж/кмоль
-162.02
-168,72
68.169
20,427
-23.509
-137,36
Д / / 2УИ -10 .
кДж/кмоль
-201,63
-235.46
52.318
62,760
-103,91
-110,59
0
0
-300,57
-371.61
-297,09
-395,44
0
0
120.16
-394,64
-210,63
19.384
1.2979
-32.874
-288,74
-16,646
130.62
-393.80
-223.15
62.282
25,958
-20,159
-242,02
-46.222
0
0
-50,827
209,34
51,874
86.746
-74,897
226,86
33,875
90.434
0
0
0
0
37.704
203,384
249.327
218.097
0
0
295
296
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ
Приложение 12
п
NaCl
КС1
оо 406,28 417,99
5
NH^CI
NH lN O ;j
298,3
340,9
872,3
871,8
869,3
862,5
854,0
297,84
297,88
298,08
300,2
342,01
342,97
344,70
346,8
349,4
(N H 4) 2SOi
MgCl2
1152,1
1152,9
791,5
790,2
1153,7
789,0
477,3
471,0
785,5
775,5
461,9
456,4
ZnCh
CuCb
MnSO.i
482,4
261,6
257,6
254,6
250,9
247,5
240,6
1092,3
1091,9
1091,2
1154,5
1155,5
448,6
1090,1
И ТЕПЛ О ТЕХН И КА
400 406,26
200 406,30
100 406,50 418,02
50 406,91 418,73
25 407,86 419,53
10 409,20
СаСЬ
873,2
873,0
873,0
ТЕРМ О ДИН АМ ИКА
Т еплоты образован и я, к Д ж /м о л ь , некоторы х неорганических вещ еств
в растворе с различны м числом м олей воды п
П риложения
Приложение 13
е — Һ диаграм м а дл я воды и водяного пара
Энтальпия Һ, ьДж/кг
❖
297
298
е — Һ диаграм м а д л я воздуха
Приложение 14
❖
ТЕХНИЧЕСК,ЛЯ
ТЕ РМ О ДИН АМ ИКА
И ТЕПЛОТЕХНИКА
шіц
300
Приложение 15
❖
е — Һ ди аграм м а д л я ам м иака
ТЕХН И ЧЕС КАЯ
Эксергия е, кДжУ
400
Эксергия е, к Д ж /к г
35О
340
ТЕРМ О ДИНАМ ИКА
И ТЕПЛО ТЕХН И КА
160
200
240
280
320 360 400 440 480
Э нтальпия /?, к Д ж /к г
520
560
600
Энтальпия h , к Д ж /к г
I
П риложения
Приложение 16
Эксергия г, кДж/кг
i qq
е —Һдиаграмма для диоксида углерода
^
301
302
❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕ Р М О Д И Н А М И КА И ТЕ П Л О ТЕ Х Н И КА
Приложение 17
Эксергия е, к Д ж /к г
е — Һ диаграм м а дл я ф реона R -12
350
84
400
90
450
Ï0Ô
500
550
Э нтальпия h , к Д ж /к г
НО
120
130
650
150 кка л /кг
Приложение 18
Х имическая эксергия элементов относительно наиболее часто встречаю щ ихся на практике вещ еств отчета
Элемент
Тип
элемента
(Y, Z)*
Вещество
отсчета
Ag
Ai
Y
Y
AgCI
I.AbOs ЗНіО
2 . АііОз
3. AljSiOs
Ar
AsjO-,
Au
H 3 BO 1
l.BaCO,
2. BaSO,
BeOAljO:,
B ijO i
1. Br
2. KBr
CO.
CaCO,
CdCOj
NaCI
Co 30 4
Cra0 3
CsCI
І.СиСОз
2. C u ,0
СаіиРбОгіҒ»
Ar
As
Au
В
Ba
Y
Y
Y
Y
Y
Be
Bi
Br
Y
Y
Y
z
С
Ca
Cd
Cl
Co
Cr
Cs
Cu
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
F
Y
Эксергия
относительно
соответствующего
вещества отсчета,
кДж/кмоль
86503
790003
788789
855907
11682
381561
0
610716
722969
742983
594680
245568
45852
26964
410828
712879
254025
56106
222960
520863
345680
101618
72268
308247
Тип
Элемент элемен­
та
(Y, Z)
Ғе
Y
Ga
Ge
H
Не
HГ
Hg
1
Y
Z
Y
Y
Y
Z
Y
Y
z
In
Іг
К
Кг
La
Li
Mg
Y
Y
Y
Y
Y
Mn
Y
Вещество
отсчета
1. Ғе,.Оз
2. Ғе ,0 ,
GujO,
GcO,
1. ҒЬОпресн
2, Н.Оморск
He
HICI,
I.H gCb
2. HgO
3. HgSO<
І.ІО»
2. KIO ,
ІП2О3
ІЮ,.
KCI
Kr
LaCb 7HiO
LiCl
I.MgCb 6 H..O
2. MgCO,
3. CaCO 1MgCO»
I.M nO ]
Эксергия относи­
тельно соответствую­
щего вещества
отсчета,
кДж/кмоль
368414
335672
496536
493480
117697
117738
30146
677453
132016
16957
56608
92028
60293
412718
184647
352504
34249
983610
186740
584715
613270
618671
461575
304
Y
Mo
N
Na
Z
Y
Y
Nd
Ne
Ni
О
Os
P
Y
Y
Y
Y
z
Y
Y
Pd
Pt
Rb
Re
Y
Y
Y
z
Rh
Y
2. МпСОз
3. МпзО„
МоОз
N •2
l.N a 2 S04
2 . Na2S0 4 10 H 20
NbjOs
Ne
NiO
O2
OsO„
Саз(Р0 4)2
І.РЬСОз
2.PbS04
Pd
Pt
RbCl
I. Re20 7
2. ReO,
3. Re0 2
Rh
401408
1273350
672181
335
328345
330940
878726
27090
214500
1968
297361
866583
210062
200725
0
0
325160
542510
508846
392615
0
Тип
элемента
(Y ,Z )
Вещество
отсчета
Ru
S
Sb
Sc
Se
Si
Sn
Sr
Y
Y
Z
Z
Z
Y
Y
Y
Ta
Te
Ti
T1
V
W
Y
Z
Y
Y
Y
Y
Xe
Y
Zn
Zr
Y
z
Y
Y
Ru
CaSO*] -НгО
Sb20 5
SC202
Se0 2
S i0 2
Sn0 2
1. SrCO.i
2. SrSO„
Ta2Os
TeOj
T i0 2
TI 2O3
v 2o 5
1. CaWOi
2. FeWO.i
Xe
Ү(ОН)з
Z 11CO 3
I.ZrSiO.,
2. ZrO?
0
603221
409991
907407
167438
853352
516090
721713
724142
951370
266544
886220
315658
705384
818810
708566
40250
933115
315155
1059353
1019367
* Элементы группы Y на практике получают из девальвированных вешеств. Элементы группы Z на практике получают только из ценного (недевальвированного сырья).
И ТЕПЛ О ТЕХН И КА
Мп
Эксергия
относительно
соответствующего
вещества отсчета,
кДж/кмоль
Элемент
ТЕРМ О ДИ Н АМ И КА
Вещество
отсчета
ТЕХН И ЧЕС КАЯ
Тип
элемента
(Y, Z)*
Приложение 18 (окончание)
❖
Элемент
Эксергия
относительно
соответствующего
вещества отсчета,
кДж/кмоль
П риложения
Приложение 19
Х им ическая эксергия наиболее часто встречаю щ ихся
слож ны х неорганических вещ еств
Вещество
А1С1з
A b (S 0 4 ) 3
ВаО
СаО
СаС12
СО
со2
СіьО
FeO
Ғе(ОН ) 3
H Cl
H2S
H ,S 0 4
H N 03
KCIO 3
MgO
MgS0 4
MnO
NO
NOo
NH3
N H 4 OH
Na 2 C 0 3
PbO
S 02
SO 3
Эксергия,
кДж/кмоль
(T)
329 466
(T)
(T)
(T)
(t)
(t )
(t )
313 150
199 845
110 803
76 992
275 644
20 405
(t )
59 182
118 936
30 773
78 504
805 059
156 386
43 143
(t )
(t )
(Г)
(r)
(ж )
(ж)
(T)
(T)
(t )
(t)
(r)
(r)
(r)
(ж)
(T )
(T )
(Г)
(T)
118 701
17 241
25 125
100 623
88 870
55 567
336 941
336 652
28 928
23 081
306 963
240 138
Ф
305
ТЕСТОВЫ Е ВОПРОСЫ
РАЗДЕЛ 1
1.1. Какие термодинамические системы называются открытыми?
1) системы, которые обмениваются веществом с другими системами или
с окружающей средой;
2) системы, у которых отсутствует теплообмен с другими системами или
с окружающей средой;
3) системы, которые обмениваются веществом и энергией с другими си­
стемами или с окружающей средой;
4) системы, которые не обмениваются веществом и энергией с другими
системами или с окружающей средой;
5) понятия «открытые системы» не существует.
Правильный ответ - 3.
1.2. Какие термодинамические системы называются адиабатными?
1) системы, которые обмениваются веществом с другими системами или
с окружающей средой;
2) системы, у которых отсутствует теплообмен с другими системами или
с окружающей средой;
3) системы, которые обмениваются веществом и энергией с другими си­
стемами или с окружающей средой;
4) системы, которые не обмениваются веществом и энергией с другими
системами или с окружающей средой;
5) понятия «адиабатные системы» не существует.
Правильный ответ - 2.
1.3. Какие термодинамические системы называются изолированными?
1) системы, которые обмениваются веществом с другими системами или
с окружающей средой;
2) системы, у которых отсутствует теплообмен с другими системами или
с окружающей средой;
3) системы, которые обмениваются веществом и энергией с другими си­
стемами или с окружающей средой;
4) системы, которые не обмениваются веществом и энергией с другими
системами или с окружающей средой;
5) понятия «изолированные системы» не существует.
Правильный ответ — 4.
1.4. Единицы измерения расхода теплоты, энергии, работы, эксергии?
Раздел 1
П Д ж Д К к г ) ; 2) Дж;
Правильный ответ — 3.
3) Вт;
4) Д ж /К ;
О
307
5) Д ж /м 3.
1.5. В каких видах может передаваться энергия от одного рабочего тела к дру­
гому?
1) только в виде теплоты;
3) в виде работы и теплоты;
5) в виде теплоты и эксергии.
Правильный ответ — 3.
2) только в виде работы;
4) в виде работы и эксергии;
1.6. Что такое равновесное состояние изолированной термодинамической си­
стемы?
1) все части такой системы имеют одинаковые параметры состояния и эти
параметры не меняются во времени;
2) все части такой системы имеют одинаковые параметры состояния;
3) термодинамические параметры состояния изменяются, проходя через
ряд последовательных равновесных состояний, при этом не происходит
изменений в окружающей среде;
4) система обязательно находится в равновесии с окружающей средой;
5) термодинамическая система не может находиться в равновесном состо­
янии.
Правильный ответ — 1.
1.7. Что такое обратимые процессы?
1) термодинамические параметры состояния изменяются, проходя через
ряд последовательных равновесных состояний, при этом происходят
изменения в окружающей среде;
2) термодинамические параметры изменяются, проходя через непрерыв­
ную последовательность равновесных состояний;
3) термодинамические параметры состояния изменяются, проходя через
ряд последовательных равновесных состояний, при этом не происходит
изменений в окружающей среде;
4) система находится в равновесии с окружающей средой;
5) в обратимых процессах система обязательно возвращается к исходному
состоянию.
Правильный ответ — 3.
1.8. Причины необратимости реальных процессов?
1) только наличие градиентов сил трения;
2) только передача теплоты от рабочего тела с большей температурой к ра­
бочему телу с меньшей температурой;
3) только наличие градиентов термодинамических параметров состояния;
308
❖
Т Е Х Н И Ч Е С К А Я Т Е Р М О Д И Н А М И К А И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А ❖ В оп р о сы
4) только происходящие изменения в окружающей среде;
5) наличие градиентов термодинамических параметров состояния и внеш­
них сил трения; теплота передается от рабочего тела с большей темпе­
ратурой к рабочему телу с меньшей температурой.
Правильный ответ — 5.
1.9. Что такое влажный пар?
1) термодинамическая система, состоящая из насыщенной жидкости и на­
сыщенного пара;
2) термодинамическая система, состоящая из насыщенной жидкости и пе­
регретого пара;
3) термодинамическая система, состоящая из воздуха и перегретого пара;
4) термодинамическая система, состоящая из воздуха и насыщенного пара;
5) термодинамическая система, состоящая из жидкости и насыщенного
пара.
Правильный ответ — 1.
1.10. Что такое степень сухости влажного пара?
1)
2)
3)
4)
5)
отношение массы
отношение массы
отношение массы
отношение массы
отношение массы
Правильный ответ
перегретого пара к массе насыщенной жидкости;
насыщенного пара к массе влажного пара;
насыщенного пара к массе насыщенной жидкости;
влажного пара к массе насыщенного пара;
перегретого пара к массе насыщенного пара.
— 2.
111. Первый закон термодинамики для рабочего тела, находящегося в относи­
тельном покое, выражается уравнением;
l)â q = du + dh',
2)S l = p d v\
3) p d v = d(vp) —v dp\
4) SI = d (vp)\
5) ôq = du + d l.
Правильный ответ — 5.
1.12. Что такое работа расш ирения (ил и сжатия )?
1)
2)
3)
4)
5)
работа, совершаемая за счет
работа, совершаемая за счет
работа, совершаемая за счет
работа, совершаемая за счет
работа, совершаемая только
Правильный ответ — 2.
изменения давления;
изменения объема;
изменения и давления и объема;
изменения внутренней энергии;
при изменении энтальпии.
1.13. Что такое работа проталкивания?
1) работа, совершаемая за счет изменения давления;
2) работа, совершаемая за счет изменения объема;
Раздел 1
^
309
3) работа, совершаемая за счет изменения и давления и объема;
4) работа, совершаемая за счет изменения внутренней энергии;
5) работа, совершаемая только при изменении энтальпии.
Правильный ответ - 3.
1.14. Что такое располагаемая работа?
1)
2)
3)
4)
5)
работа, совершаемая за счет изменения давления;
работа, совершаемая за счет изменения объема;
работа, совершаемая за счет изменения и давления и объема;
работа, совершаемая за счет изменения вн>тренней энергии;
работа, совершаемая только при изменении энтальпии.
Правильный ответ — 1.
1.15. Первый закон термодинамики в общем виде для потока вещества выра­
жается с помощью уравнения:
1 ) ôq = du + <И\
2) ôq = wdu' + g d : + dh + ô/Mcx + 61ц,;
3) ôq = dh - vdp;
4) Sq = w dw + g dz + du + Slm + 61ц,\
5) ôqBH = ui dw + g d : + dh + dlrcx + <51тр.
Правильный ответ — 2.
1.16. Что такое сопло при дозвуковых скоростях потока?
1) это канал, применяемый для ускорения потока за счет превращения
энергии сжатого газа в кинетическую энергию;
2) это канал, применяемый для торможения потока за счет превращения
кинетической энергии потока в потенциальную энергию сжатого газа;
3) это всегда расширяющийся канал, применяемый для ускорения потока;
4) это всегда суживающийся канал, применяемый для торможения потока;
5) это канал произвольной формы для изменения скорости потока.
Правильный ответ — 1.
1.17. Что такое диффузор при дозвуковых скоростях потока?
1) это канал, применяемый для ускорения потока за счет превращения
энергии сжатого газа в кинетическую энергию;
2) это канал, применяемый для торможения потока за счет превращения
кинетической энергии потока в потенциальную энергию сжатого газа;
3) это всегда расширяющийся канал, применяемый для ускорения потока;
4) это всегда суживающийся канал, применяемый для торможения потока;
5) это канал произвольной формы для изменения скорости потока.
Правильный ответ — 2.
310
❖
Т Е Х Н И Ч Е С К А Я Т Е Р М О Д И Н А М И К А И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А ❖ В о п р о сы
1.18. Какой процесс называется дросселированием?
1) необратимый процесс, в результате которого давление газа повышается;
2) необратимый адиабатный процесс, в результате которого давление газа
понижается;
3) обратимый процесс, в результате которого давление газа понижается;
4) обратимый процесс, в результате которого давление газа становится
равным атмосферному;
5) адиабатный процесс, в котором давление рабочего тела не изменяется.
Правильный ответ — 2.
1.19. К ак может измениться температура вещества при его дросселировании?
1)
2)
3)
4)
5)
только уменьш иться;
только увеличиться;
только остаться постоянной;
увеличиться, уменьш иться, остаться постоянной;
в процессе дросселирования рассматривается только изменение давле­
ния вещества.
Правильный ответ — 4.
1.20. Что такое дроссель-эф фект?
1) отнош ение изменения температуры реального газа при его дросселиро­
вании к изменению давления в этом процессе;
2) отнош ение изменения давления идеального газа при его дросселирова­
нии к изменению температуры данного газа;
3) отнош ение изм енения температуры идеального газа при его дроссели­
ровании к изменению давления в этом процессе;
4) отнош ение изменения давления реального газа при его дросселировании
к изм енению температуры данного газа;
5) отнош ение изменения давления реального газа при его дросселировании
к изм енению внутренней энергии данного газа.
Правильный ответ — 1.
РАЗДЕЛ 2
2.1. Зависит ли энергия термодинамической системы от параметров окружаю ­
щей среды?
1)
2)
3)
4)
да, всегда зависит;
нет, никогда не зависит;
зависит при температуре большей, чем температура окружающей среды;
зависит при ряде ограничений;
Раздел 2
^
311
5) зависит при температуре меньшей, чем температура окружающей среды.
Правильный ответ — 2
2.2. Зависит ли эксергия системы от параметров окружающей среды?
1)
2)
3)
4)
5)
да, всегда зависит.
нет, никогда не зависит:
зависит при температуре большей, чем температура окружающей среды:
зависит при ряде ограничений;
зависит при температуре меньшей, чем температура окружающей среды.
Правильный ответ - 1
2.3. Может ли энергия системы быть равной нулю?
1)
2)
3)
4)
5)
да, при равновесии с окружающей средой;
нет, ни при каких условиях;
да, только в обратимых процессах;
да, всегда;
да. при температуре меньшей температуры окружающей среды.
Правильный ответ — 1
2.4. Может ли эксергия системы быть равной нулю?
1)
2)
3)
4)
5)
да, при равновесии с окружающей средой;
нет, ни при каких условиях;
да, только в обратимых процессах;
да, всегда;
да, при температуре меньшей температуры окружающей среды.
Правильным ответ — 1
2.5. Подчиняется ли закону сохранения энергия системы?
1)
2)
3)
4)
5)
да, при равновесии с окружающей средой;
нет, ни при каких условиях;
да, только в обратимых процессах;
да, всегда;
да, при температуре меньшей температуры окружающей среды.
Правильный ответ - 4
2.6. Подчиняется ли закону сохранения эксергия системы?
1)
2)
3)
4)
5)
да, при равновесии с окружающей средой;
нет, ни при каких условиях;
да, только в обратимых процессах;
да, всегда;
да, при температуре меньшей температуры окружающей среды.
31 2
❖
Т Е Х Н И Ч Е С К А Я Т Е Р М О Д И Н А М И К А И Т Е П Л О Т Е Х Н И К А <> В оп росы
Правильный ответ — 3
2.7. Может ли эксергия окружающей среды отличаться от нуля?
1) да, при температуре меньшей температуры окружающей среды;
2) да, всегда отличается;
3) отличается, если рассматриваемая система взаимодействует с окружаю­
щей средой;
4) не отличается только в тех случаях, когда в рассматриваемой системе
происходят равновесные процессы;
5) нет, никогда.
Правильный ответ - 5
2.8. Из каких составляющих состоит эксергия вещества в замкнутом объеме
и в потоке?
1) из термической, механической, реакционной и концентрационной
составляющих;
2) из термической, реакционной и концентрационной;
3) из термической и механическо