Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Теоретические основы холодильной техники - файл 1.doc


Лекции - Теоретические основы холодильной техники
скачать (3741.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc3742kb.17.11.2011 21:56скачать

1.doc

1   2   3   4   5
^

4. ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ




Теплоиспользующие холодильные машины нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. К ним относятся пароэжекторные (ПЭХМ), абсорбционные (АХМ) и сорбционные холодильные машины. Отличительной особенностью перечисленных типов машин от парокомпрессорных и газовых холодильных машин является принцип получения в них холода за счет использования теплоты греющих источников. Для привода насосов в ПЭХМ и АХМ необходимо небольшое количество электроэнергии, которое практически не учитывают в их тепловых балансах. В ПЭХМ и АХМ искусственный холод вырабатывается с помощью системы совмещенных прямого и обратного циклов.

В ПЭХМ совмещены пароэнергетическая установка с двигателем-эжектором и холодильная машина со струйным компрессором-эжектором. Пароэнергетическая установка включает в себя парогенератор, эжектор, конденсатор и насос. В состав холодильной машины входят эжектор, конденсатор, дроссельный (регулирующий) вентиль и испаритель.

В теоретической схеме АХМ функцию пароэнергетической установки выполняют генератор, расширительная машина (турбина), абсорбер, насос и растворный детандер. Функцию холодильной машины выполняют испаритель, компрессор, конденсатор и детандер. В действительной схеме АХМ расширительная машина в прямом цикле и компрессор в обратном взаимно исключают друг друга, а детандеры заменяются на дроссельные вентили. В результате получается единый контур теплоиспользующей машины - АХМ с совмещенными прямым и обратным циклами. Одним из основных процессов АХМ является абсорбция, которая в общем виде представляет собой поглощение газа (пара) жидким поглотителем (абсорбентом). В абсорбционных процессах участвуют две фазы - жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Таким образом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи. В абсорбционных холодильных машинах абсорбция пара хладагента сопровождается выделением теплоты, следовательно, в данном случае происходит одновременный массо- и теплоперенос.

Аналогично теплопереносу массоперенос является сложным процессом, состоящим из процессов переноса вещества в пределах каждой из фаз и переноса вещества через границу раздела фаз. Поэтому при протекании абсорбционных процессов поверх­ность соприкосновения фаз должна быть как можно большей, что реализуется в конструкциях абсорбционных аппаратов.

Движущей силой процесса переноса вещества является от­клонение системы от равновесия. Применительно к АХМ в паровой фазе ею является разность давлений пара хладагента в об­щем объеме и непосредственно у поверхности соприкосновения фаз, в жидкой фазе - разность концентраций хладагента у поверхности контакта фаз и в общем объеме абсорбента.

Вследствие разности давлений молекулы пара подлетают к поверхности соприкосновения фаз и захватываются (притягива­ются) абсорбентом. Это происходит в результате того, что в растворе между молекулами абсорбента и хладагента всегда имеет место физическое взаимодействие, выражающееся во взаимном притяжении молекул. На поверхности абсорбента пар хладаген­та превращается в жидкость с выделением теплоты фазового перехода. И далее жидкий хладагент в результате наличия градиента концентраций растворяется в абсорбенте с выделением теплоты растворения. Таким образом, теплота абсорбции на 1 кг хладагента в основном включает в себя удельную теплоту конденсации хладагента и дифференциальную теплоту растворения хладагента в абсорбенте.

При абсорбции чистых компонентов, что имеет место в АХМ, сопротивление переносу массы преимущественно определяется сопротивлением жидкой фазы, зависящим, как правило, от молекулярной и конвективной диффузий хладагента в абсорбенте.

Эффективность применения теплоиспользующих холодильных машин в значительной степени зависит от стоимости теплоты греющих источников, требуемых температурных потенциалов и практически всегда является высокой при использовании вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), а также при одновременной выработке холода и теплоты.

^ 4.1. Пароэжекторные холодильные машины
Рабочим веществом ПЭХМ преимущественно является вода, а в последнее время и хладоны. Использование воды в качестве рабочего вещества целесообразно вследствие ее безвредности и относительной дешевизны. Однако применить воду в компрессорных машинах невозможно из-за очень больших значений удельного объема сухого насыщенного пара при низких температурах. Это можно было бы осуществить лишь при огромных размерах цилиндров поршневого компрессора или колес в центробежной машине. Однако такие машины будут характеризоваться большими потерями энергии, а также высокими капитальными затратами. К тому же конструкция указанных машин окажется сложной из-за не­обходимости их работы в области глубокого вакуума. Отсасывание водяного пара из испарителя паровым эжектором позволяет создать относительно компактную и надежную в эксплуатации машину.

Недостатками ПЭХМ являются низкая энергетическая эффективность из-за больших потерь в эжекторе, а также необходи­мость поддержания глубокого вакуума в испарителе, конденсаторе и пароструйном аппарате.

Наиболее широко ПЭХМ применяют в системах кондиционирования воздуха на судах с парогенераторными энергетическими установками, а также на промышленных предприятиях, располагающих вторичными энергетическими ресурсами повышен­ного температурного потенциала.

^ Принцип действия и теоретический процесс работы пароэжекторной машины. Пароэжекторная машина представляет собой систему совмещенных неразделимых процессов прямого и обратного циклов, т.е. в ней совмещены пароэнергетическая установка с двигателем-эжектором и холодильная машина со струй­ным компрессором-эжектором. Пароэнергетическая установка включает в себя парогенератор, эжектор, конденсатор и насос. В сос­тав холодильной машины входят эжектор, конденсатор, регули­рующий вентиль и испаритель. Схема пароэжекторной машины показана на рис. 4.1.


Рис. 4.1. Схема пароэжекторной холодильной машины

Рабочий пар из парогенератора Г, образованный в нем за счет подвода теплоты qг, направляется в сопло эжектора Э. В сопле потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энер­гию - скорость пара возрастает. Струя рабочего пара, увлекая холодный пар, идущий из испарителя И, смешивается с ним в камере смешения эжектора. Смесь рабочего и холодного пара направляется в диффузор эжектора, в котором давление смеси повышается вследствие снижения скорости. Таким образом, за счет кинетической энергии струи рабочего пара осуществляется работа сжатия смеси рабочего и холодного пара от давления в испарителе р0 до давления в конденсаторе рк. Теплота конден­сации qк в конденсаторе ГК отводится водой, а образовавшийся конденсат направляется по двум потокам: одна часть конденса­та в количестве, равном массе рабочего пара, подается конденсатным насосом КН в парогенератор Г, другая - через дрос­сельный вентиль РВ1 поступает в испаритель И. Вода в испари­теле охлаждается в результате ее частичного испарения при глу­боком вакууме. Количество теплоты, отводимой холодным па­ром, зависит от удельной теп­лоты парообразования воды при давлении и температуре в ис­парителе и расхода холодного пара. Из испарителя И образующийся пар непрерывно отсасывается эжектором, благодаря чему в испарителе поддер­живаются постоянное низкое давление и непрерывный процесс испарения. Охлажденная вода, называемая рабочей водой, циркулирует между испарителем И и потребителем холода ПХ. Рабочая вода подается к потребителю холода циркуляционным насосом ЦН, в испаритель она возвращается через вентиль РВ2.

Теоретический совмещенный цикл ПЭХМ на s-Т-диаграмме показан на рис. 4.2. Рабочий пар с давлением рр расширяется в сопле до давления р0 изоэнтропно - процесс 1-2s. Из испарителя подсасывается холодный пар состояния 9. В камере сме­шения образуется влажный пар состояния 3, который сжимается в диффузоре до давления рк изоэнтропно - процесс 3-4s.

Рис. 4.2. Теоретический цикл пароэжекторной холодильной машины

Процесс 4s-5 - конденсация; процесс 5-6 соответствует адиабатной работе насоса, перекачивающего конденсат в парогенератор. Процесс 5-8 - дросселирование части конденсата, идущего в испаритель. Процесс 8-9 - кипение в испарителе, а 6-7-1 - процессы нагрева воды и парообразования в парогенераторе. В машине совершаются два цикла. Если условно представить сжатие в эжекторе отдельно рабочего пара (процесс 2s-11) и холодного пара (процесс 9-10), то прямой цикл будет изображаться процессами 1-11-5-6-7-1, а обратный - процессами 9-10-5-8. В сопле потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую - процесс 1-2s; энергия прямого цикла передается обратному в камере смешения - процесс 2s-3-9; работа в обратном цикле затрачивается в диффузоре - процесс 3-4s. Процессы расширения 11-2s от давления рк до давления р0 с после­дующим сжатием смешанного пара (процесс 3-4s) от давления р0 до рк, по существу, выполняются для передачи работы прямо­го цикла обратному.

Таким образом, в машине осуществляются два цикла: круго­вой процесс 1-2-3-4-5-6-7-1 является прямым циклом, а кру­говой процесс 9-3-4-5-8-9 - обратным (холодильным) цик­лом. Если принять, что через испаритель проходит 1 кг рабочего вещества, то через парогенератор пройдет а (кг) рабочего пара, причем

. (4.1)
Величина а, определяемая отношением массовых расходов рабочего пара Gр к холодному Gх, называется кратностью цирку­ляции или коэффициентом удельного расхода пара.

Принимая условие передачи работы прямого цикла обратному без потерь, можно записать для теоретического цикла, что аТl = l0, где l и l0 - соответственно работы прямого и обратного циклов, или
(4.2)
где h - энтальпия в соответствующих точках цикла (см. рис. 4.2). Тепловой баланс машины можно представить в следующем виде:
(1 + ат)qк = q0 + атqг + атqн, (4.3)
где (1 + ат)qк = (1 + ат)(h4s – h5) - отведенная теплота; q0 = h9 – h8 - удельная холодопроизводительность; атqг = ат (h1 - h6) - теплота, подведенная к парогенератору; атqн = ат(h6 - h5) - работа насоса.
Эффективность работы прямого цикла оценивается термическим коэффициентом

(4.4)
Холодильный коэффициент является энергетической характеристикой обратного цикла:

(4.5)
Для энергетической оценки эффективности всей машины используют тепловой коэффициент ξт, равный отношению холодопроизводительности цикла к затраченной теплоте:

(4.6)
Подставив в формулу (4.4) l = l0/ат и умножив ηt на εт, получают
(4.7)
Термодинамическое совершенство цикла эжекторной ходильной машины так же, как и для других типов холодильных машин, можно оценить коэффициентом обратимости

(4.8)
Здесь εт и ηt соответственно тепловой, холодильный и термический коэффициенты теоретического цикла; εоб и ηtоб те же коэффициенты обратимого цикла

ε (4.9)
(4.10)
где Т0 - температура охлажденной воды на выходе из испарителя, К; То.с - температура окружающей среды, К; Тh - температура греющего источника, К.
Особенности газодинамических процессов в эжекторе. Схематический разрез одного из основных элементов машины - эжектора - представлен на рис. 4.3. Он состоит из сопла РС приемной камеры ПК, камеры смешения КС и диффузора Д. На этом же рисунке показано изменение статических давлений по ходу рабочего и холодного паров.


Рис. 4.3. Схема эжектора

В пароструйных аппаратах с большой степенью расширения рабочего пара при условии рр2 > р2кр (где ркр - статистическое давление изоэнтропно движущегося рабочего пара при критической скорости) сопло аппарата должно быть выполнено по типу сопла Лаваля. Сопло Лаваля состоит из сужающейся и расширяющейся частей, разделенных коротким цилиндрическим участком. Оно спрофилировано таким образом, чтобы в дозвуко­вом режиме его сечение уменьшалось до тех пор, пока скорость потока не станет равной скорости звука. Для перехода через скорость звука и дальнейшего ускорения потока сопло должно быть выполнено расширяющимся. В этом случае для создания кинетической энергии потока будет использован весь перепад давлений от давления рабочего пара на входе в сопло рр до дав­ления всасывания холодного пара р2.

Эжекторы холодильных машин работают при больших сте­пенях расширения рабочего пара (рр2 > 50) и больших степе­нях сжатия (рк2 > 2,5), поэтому для увеличения предельного коэффициента эжекции и сохранения большой степени сжатия камеру смешения в этих аппаратах выполняют из двух частей: развитой конической сужающейся части (конфузора) и после­дующей укороченной цилиндрической части (горловины).

Рабочий (эжектирующий) пар с параметрами рр и tр подво­дится к соплу, где его давление снижается от рр до давления в приемной камере рр1 = р2, а скорость увеличивается от wp до wр1. Скорость пара wр1 в сечении fр1 на выходе из сопла больше критической скорости wкр, достигаемой паром в узком (крити­ческом) сечении сопла fкр (см. рис. 4.3).

Рабочий пар, выходящий из сопла в приемную камеру со ско­ростью wр1, подсасывает из камеры холодный эжектируемый пар, скорость wх которого незначительна. По мере удаления от сопла массовый расход движущегося потока непрерывно увеличивает­ся за счет присоединения массы эжектируемой среды и возрас­тает поперечное сечение движущегося потока. На некотором расстоянии от выходного сечения сопла поток, движущийся по направлению к камере смешения, заполняет все сечение прием­ной камеры. Профиль скоростей в этом сечении имеет большую неравномерность по радиусу - от очень малой у стенок камеры до близкой к скорости wр1 истечения рабочего пара из сопла на оси потока. Сечение, где площадь сверхзвуковой струи стано­вится наибольшей, называется сечением запирания. До этого сечения эжектирующий и эжектируемый потоки текут раздель­но, не смешиваясь, а интенсивное смешение происходит за этим сечением. Сечение запирания является характерным участком начального участка смешения. С удалением от сопла граница между потоками размывается, сверхзвуковое ядро эжектирующей струи уменьшается, постепенно выравниваются скорости в результате обмена импульсами между частицами, движущи­мися с большей и меньшей скоростями, и повышается давление перемешиваемых потоков по сечению камеры. Поток имеет сред­нюю скорость w3 и статическое давление р3. Далее поток по­ступает в расширяющуюся насадку - диффузор. В последнем кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию и теплоту.

Давление растет от р3 до рс, а скорость падает от w3 до wс. Если пренебречь сопротивлением нагнетательного тракта от эжектора до конденсатора, то давление за эжектором рс можно считать равным давлению конденсации в главном конденсаторе.

Процессы, характерные для камер смешения, описывают тремя законами.

1. Закон сохранения энергии:
hр + иhх = (1 + и)hс, (4.11)
где hр, hх, hс - энтальпии рабочего и холодного пара до эжектора и смешанного потока после эжектора, кДж/кг; и - коэффициент эжекции, т.е. отношение массового расхода холодного (эжектируемого) пара к массовому расходу рабочего пара, и = Gx/Gp = 1/a.
2. Закон сохранения массы (кг/с):
Gст = Gp + Gx. (4.12)
3. Закон импульсов, который для конической камеры смешения записывается так:

(4.13)
где wp2, wх2 и w3 - скорости рабочего и холодного потоков во входном сечении 2-2 камеры смешения и смешанного потока в выходном сечении 3-3, м/с; рр2, рх2, р3 - статические давления рабочего и холодного потоков во входном сечении камеры смешения и смешанного потока в выходном сечении этой камеры, Па; f2, fх2, f3 - площади сечений рабочего и холодного потоков при входе в камеру смешения и смешанного потока на выходе из камеры смешения, м2; - интеграл импульса сил на площадь поверхности камеры смешения между сечениями 2-2 и 3-3.
При расчете эжекторов часто используют газодинамические функции, связывающие приведенную скорость потока пара с его термодинамическими параметрами (следует вспомнить курс «Механика жидкости и газа»). Под приведенной скоростью понимают отношение скорости пара в рассматриваемом сечении к критической скорости:

. (4.14)
Критическую скорость пара (м/с), представляющую действительную скорость пара, равную местной скорости звука, определяют по формуле:
, (4.15)
где k - показатель адиабаты для идеального газа; R - удель­ная газовая постоянная, Дж/(кг·К); Т* и р* - соответственно температура (К) и давление (Па) торможения; v* - удельный объем пара в заторможенном состоянии, м3/кг.
Под параметрами торможения Т*, р*, v*, ρ* понимают абсолютную температуру, давление, удельный объем и плотность пара при изоэнтропном снижении его скорости до нуля.

Наиболее часто используют следующие газодинамические функции.

Функция τ(λ) - относительная температура, т.е. отношение абсолютной температуры Т изоэнтропно движущегося пара в данном сечении к абсолютной температуре торможения Т*:
(4.16)
Функция π(λ) - относительное давление, т.е. отношение статического давления р движущегося пара в данном сечении к давлению торможения р*:
(4.17)
Функция ξ(λ) - относительная плотность, т.е. отношение плотности ρ движущегося потока в данном сечении к плотности ρ* заторможенного потока:
(4.18)
Из наиболее сложных газодинамических функций при расчете эжекторов чаще используют функцию q(λ), представляющую собой приведенную массовую скорость, т.е. отношение массовой скорости wρ [кг/(м2·с)] движущегося потока в данном сечении к массовой скорости этого потока (wρ)кр в критическом сечении:

q(λ) = wρ/(wρ)кр. (4.19)
Из условий сплошности потока следует, что функция q(λ) равна отношению площадей критического сечения потока и данного сечения:
q(λ) = fкр/f.
В холодильных машинах эжекторы работают на реальных газах или насыщенном паре. В таких средах показатель адиабаты k - переменная величина, поэтому использовать уравнения (4.14)-(4.19) неудобно. Скорость звука в указанных средах можно определить на основании формулы Лапласа:

где - бесконечно малое изоэнтропное изменение давления, Па; - изменение плотности среды при изменении давления, кг/м3.
Для технических расчетов формулу Лапласа можно записать в следующем виде:

(4.20)
где w - средняя скорость звука в среде в диапазоне указанного изменения давления среды; Δр - сравнительно небольшое конечное изоэнтропное изменение давления; Δρ - конечное изменение плотности среды при указанном изменении давления. Пренебрегая начальной скоростью потока перед эжектором из-за ее незначительности, можно скорость потока при адиабатном расширении определить по формуле:

, (4.21)
где - изоэнтропное изменение энтальпии потока, Дж/кг.
На основании уравнений (4.20) и (4.21) из условия ws = w = wкр можно вычислить изоэнтропный перепад энтальпий , соответствующий расширению потока от заторможенного состояния до его критической скорости:
= 0,5(Δрρ)s. (4.22)
Критическая скорость потока
. (4.23)
Машины с поверхностными и смешивающими барометри­ческими конденсаторами. Пароводяные эжекторные холодиль­ные машины в зависимости от конструкции и принципа работы главных конденсаторов делятся на два основных типа: машины c поверхностными конденсаторами и машины со смешивающими конденсаторами.

Преимуществом машин с поверхностными конденсаторами является возможность сохранения конденсата вследствие того, что конденсирующийся пар в них отделен от охлаждающей воды трубками, образующими теплопередающую поверхность. Машины этого типа имеют меньшие габаритные размеры и могут устанавливаться в производственных помещениях в непосредственной близости от потребителей холода. По сравнению с машинами со смешивающими конденсаторами они несколько сложнее в эксплуатации и требуют дополнительного вспомогательного оборудования.

Рабочая схема пароводяной эжекторной холодильной машины с поверхностными конденсаторами показана на рис. 4.4.

Рабочая вода, отепленная у потребителей, через запорный клапан 1 поступает в испаритель 2. В испарителе вследствие непрерывного отсоса главными эжекторами 3 образующегося пара поддерживается давление насыщения, соответствующее температуре выходящей из испарителя рабочей воды. Небольшая часть рабочей воды испаряется, отнимая теплоту испарения от основной массы воды, циркулирующей через испаритель, благодаря чему вода охлаждается. Из испарителя охлажденная вода откачивается центробежным насосом 4 и подается потребителям.


Рис. 4.4. Схема пароэжекторной холодильной машины

с поверхностными конденсаторами

Рабочий пар поступает в редукционный клапан 5, где давление пара снижается до требуемого значения, и далее через кла­пан 6 поступает к соплам главных эжекторов. Проходя через сопла, рабочий пар расширяется до давления несколько меньше требуемого давления насыщения в испарителе. Благодаря этому из испарителя в приемную камеру главного эжектора отсасывается холодный пар, который затем, смешиваясь с паром, вы­шедшим из сопла, поступает в главный конденсатор 7. Смесь холодного и рабочего пара конденсируется, отдавая теплоту конденсации охлаждающей воде, циркулирующей через трубки главного конденсатора. Конденсат, образующийся в главном конденсаторе, откачивается конденсатным насосом 8 и через невозвратно-запор-ный клапан 9 нагнетается в конденсатную систему. Часть конденсата, необходимая для компенсации испарившейся рабочей воды, поступает в испаритель через электромагнитный клапан и поплавковый регулятор уровня 10.

В пароводяной эжекторной машине все основные аппараты - испаритель, главный конденсатор и другие - работают под давлением ниже атмосферного, в результате чего в машину поступает воздух извне. Для поддержания в аппаратах заданных давле­ний необходимо непрерывно отсасывать воздух из системы. Из испа­рителя вместе с холодным паром главные эжекторы отсасывают и воздух. Отсос воздуха из главного конденсатора с выбросом в атмосферу осуществляется вспомогательными эжекторами в две ступени. Необходимость двух ступеней объясняется тем, что воздух отсасывается со степенью сжатия 15-30, что не мо­жет быть обеспечено одним эжектором. Вместе с воздухом эжек­торы первой и второй ступени отсасывают и некоторое количест­во пара. Паровоздушная смесь из эжектора первой ступени 11 поступает в конденсатор первой ступени 14, где пар конденсиру­ется, а освободившийся воздух из конденсатора первой ступени отсасывается эжектором второй ступени 12 в конденсатор вто­рой ступени 13, из конденсатора второй ступени воздух выбра­сывается в атмосферу. В конденсаторе второй ступени давление несколько больше атмосферного, в конденсаторе первой ступени давление промежуточное между давлением в главном конденса­торе и атмосферным давлением. Давление в главном конденса­торе, при котором происходит конденсация пара, зависит от тем­пературы и количества охлаждающей воды, поступающей в глав­ный конденсатор, а также от степени загрязнения конденсатных трубок. Конденсат, образовавшийся в конденсаторе второй ступени, через перепускной клапан 15 поступает в конденсатор первой ступени. Конденсат из конденсатора первой ступени под влиянием разности давлений по U-образной трубе через уравно­вешиваю-щий клапан 16 перетекает в главный конденсатор.

Рабочая схема пароэжекторной холодильной машины с баромет­рически-ми смешивающими конденсаторами показана на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схема пароэжекторной холодильной машины

с баромет­рическими смешивающими конденсаторами

Особенность этой схемы заключается в том, что пар в конденса­торе 1 входит в непосредственный контакт с охлаждающей во­дой и конденсат нельзя возвратить в парогенератор, что вызыва­ет дополнительные затраты на очист­ку котловой воды. Однако благодаря непосредственному контакту пара и воды давление конденсации в этой машине при прочих равных услови­ях будет несколько меньше, чем в схеме с поверхностными конденсато­рами, соответственно ниже будет и степень сжатия, которую надо преодо­леть эжекторам 2. При меньшей сте­пени сжатия уменьшается потребный расход рабочего пара, что является основным преимуществом машин это­го типа. Выполнение испарителей 3 и конденсаторов 1 барометрического типа обеспечивает свободный слив от­работавшей охлаждающей воды, ра­бочей воды и конденсата под действием собственной тяжести. Это значительно сокращает затраты энергии на насосы, которые в отдельных случаях можно пол­ностью исключить. Машины с барометрическими смешивающи­ми конденсаторами устанавливают на открытом воздухе.

Конденсаторы и испаритель для обеспечения барометричес­кого слива воды располагают на большой высоте. Пар из глав­ных эжекторов 2 поступает в нижнюю часть главного конденса­тора 1 и поднимается вверх, так как в верхней части конденса­тора отсасывается воздух. Охлаждающая вода из магистрали поступает в верхнюю часть конденсатора, где помещена сливная коробка. Охлаждающая вода стекает через отверстия в дне ко­робки, а часть воды сливается через боковую стенку. Затем вода попадает на кольцевой лоток, откуда она поступает на централь­ный лоток, частично сливаясь вниз через отверстия в кольцевом лотке. С центрального лотка вода попадает на следующий кольцевой лоток, затем на очередной центральный и стекает на дно конденсатора. Таким образом, на пути поднимающегося пара, поступившего в конденсатор из главных эжекторов, создается водяная завеса, соприкасаясь с которой пар конденсируется. Образовавшийся конденсат смешивается с общей массой воды и по трубе 6 сливается в барометрический сборник 5.

Воздух из верхней части конденсатора отсасывается эжектором первой ступени 9 и нагнетается во вспомогательный кон­денсатор 7, принцип действия которого такой же, как и главно­го конденсатора. В этом конденсаторе рабочий пар, подведенный к эжектору 9, конденсируется, а воздух, собравшийся в верхней части конденсатора, отсасывается эжектором второй ступени 8 и выпускается в атмосферу.

Сливные трубы снабжаются гидравлическими затворами в барометрических сборниках 4 и 5. Высота столба воды в сливных трубах до уровня барометрической емкости определяется по формуле:
H = (В + Δh - рк) / (gρ) + h, (4.24)
где В - барометрическое давление, м; Δh - потери напора в сливной трубе и на выходе из нее, м; рк - минимально возможное давление в аппаратах с барометрическим отводом воды, м; g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; ρ - плотность воды, кг/м3; h - гарантийный запас, h = 0,5÷1,0 м.
^ Особенности работы эжекторных машин на различных рабочих веществах. Эжекторные холодильные машины могут работать не только на воде, но и на легкокипящих веществах. Применение легкокипящих веществ, в частности хладонов, позво­ляет получить более низкие температуры кипения, упростить схему машины, а также использовать низкопотенциальную теплоту без вакуума в аппаратах.

Аммиачные эжекторные машины из-за токсичности аммиака не получили достаточного развития. Однако в низкотемпературных аммиачных компрессионных холодильных машинах применяют эжекторы для поджатия пара в ступенях низкого давления.

Хладоновые эжекторы по сравнению с пароводяными отличаются меньшими скоростями в проточной части, малыми проходными сечениями, меньшими отношениями давлений рабочего пара рр и испарения р0, меньшими отношениями давлений кон­денсации рк и испарения рк. В схемах хладоновых эжекторных холодильных машин в отличие от пароводяных отсутствуют воздухоотсасывающие устройства, в остальном они аналогичны.

Ряд недостатков, присущих этим машинам, сдерживает их промышленное внедрение. К таким недостаткам относятся: усложнение конструкции испарителя и генератора из-за необходимости применения теплопередающей поверхности, а следовательно, и возникновение необратимых потерь на тепловое сопротивление этой поверхности, наличие в схеме дорогого и сложного хладонового насоса. Подача в парогенератор жидкого хладона, близкого к состоянию насыщения, приводит к вскипанию хладона на всасывании насоса и к срыву его работы. Для исклю­чения этого приходится применять переохлаждение или подпор на всасывании. Кроме того, по сравнению с водой хладон дорог и текуч.

Эффективность работы хладоновых эжекторных холодильных машин зависит от режима работы (рр, р0, рк, tp, tвc) и от свойств хладона. Хладон и рабочее давление для этих машин выбирают по двум энергетическим критериям: действительному тепловому коэффициенту машины и суммарной электрической мощности, потребляемой хладоновым и водяным циркуляционными насосами. Более рациональным является применение веществ с высокими значениями критической температуры, что понижает давление в аппаратах и, следовательно, обеспечивает большую надежность и безопасность работы машины. К ним относятся хладоны R11, R21, R11З, R142, RС318, R12В1. Однако при использовании хладонов R11, R11З в испарителе устанавливается давление ниже атмосферного, а хладон R21 является термически нестойким веществом. Наиболее перспективным веществом по значению теплового коэффициента, сокращению удельных дроссельных потерь и мощности хладонового насоса при относительно низких давлениях в аппаратах является хладон R142.

^ 4.2. Абсорбционные холодильные машины
Абсорбционные холодильные машины находят широкое примене­ние в различных отраслях промышленности, нуждающихся в искус­ственном холоде. Эффективность использования этих машин в боль­шей степени зависит от стоимости теплоты, расходуемой для их работы. Поэтому абсорбционные машины более целесообразно при­менять там, где имеются дешевые источники теплоты в виде отрабо­тавшего водяного пара, горячей воды, дымовых газов от сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива, теплоты химических реакций и т.д. Эффективность применения этих машин значительно возрастает при использовании их для одновременного получения холода и теплоты за счет сбросной теплоты предприятия.

В настоящее время широко известны различные схемы абсорб­ционных холодильных машин. Применение той или иной схемы зависит от характера внешних источников теплоты и от свойств хладагента и абсорбента. Так, наиболее распространенными яв­ляются машины, работающие по циклам с теплообменником и рек­тификацией пара там, где она требуется. Возможно использование циклов с материальной регенерацией, с эжектором, двухступенчатых циклов со ступенчатым абсорбером, с обратной подачей раствора через абсорбер и генератор. При наличии переменных температур внешних источников в ряде случаев для получения искусственного холода может применяться абсорбционно-резорбционная схема холодильной машины. Нашли широкое применение также безнасос­ные абсорбционные холодильные машины периодического и непре­рывного действия.
^ 4.2.1. Схема и принцип действия абсорбционной холодильной машины
В отличие от компрессорной холодильной машины, соверша­ющей только обратный термодинамический цикл, в абсорбционной машине, так же как и в пароэжекторной, искусственный холод получается с помощью совмещенных прямого и обратного циклов. Процессы и циклы абсорбционной холодильной машины осуще­ствляются с помощью раствора, состоящего из двух, а иногда и трех компонентов. Наиболее распространенными являются машины, работающие на бинарном растворе, состоящем из поглотителя (аб­сорбента) и хладагента. В качестве растворов для абсорбционных холодильных машин в настоящее время широкое применение полу­чили водные растворы аммиака и бромистого лития, причем в первом растворе аммиак, а во втором вода являются хладагентами. Водоаммиачный раствор с большим содержанием хладагента назы­вают крепким, а с меньшим - слабым. В растворе «бромистый ли­тий - вода» концентрация указывается по содержанию бромистого лития, т.е. абсорбента. Основными требованиями, предъявляемыми к абсорбентам, являются следующие: более полная и быстрая рас­творимость в нем хладагента; значительно более высокая нормальная температура кипения абсорбента по сравнению с хладагентом. Ограниченная растворимость хладагента в абсорбенте приводит к сокращению возможности осуществления прямого термодинамиче­ского цикла в машине, а уменьшение разности в нормальных тем­пературах кипения абсорбента и хладагента влечет за собой необ­ходимость ректификации последнего, т.е. усложняет схему машины и вносит дополнительные необратимые потери в действительный прямой цикл.

Простейшая схема абсорбционной холодильной машины непре­рывного действия показана на рис. 4.6. Машина работает следу­ющим образом. В генераторе (кипятильнике) Г происходит кипение крепкого (по хладагенту) раствора за счет подвода теплоты Qг от внешнего источника. Процесс кипения протекает при постоянном давлении рк и непрерывном уменьшении концентрации раствора и повышении температуры его кипения. Образующийся при этом пар хладагента и абсорбента поступает в конденсатор Кд, где конденсируется вследствие отвода от него теплоты Qк источником, имеющим температуру окружающей среды. Согласно первому закону Д.П. Коновалова, концентрация пара, поступающего в конденсатор, будет значительно выше концентрации кипящего раствора. Конденсация пара в конденсаторе происходит при давлении рк, соответствующем температуре конденсации смеси, причем если нормальные температуры кипения хладагента и абсорбента отли­чаются существенно (на 200-300 °С), то пар практически состоит только из хладагента и его конденсация проходит при постоянной температуре, а следовательно, и при постоянном давлении. Жидкость, полученная в конденсаторе, дросселируется в дроссельном вентиле Д1 (а в обратимом цикле расширяется в расширителе) от давления рн в конденсаторе до давления р0 в испарителе И и поступает в последний. Давление в испарителе зависит от температуры ки­пения хладагента, которая, в свою очередь, определяется температурой охлаждаемого источника. В результате под­вода теплоты Q0 от охлажда­емого источника в испарителе происходит кипение жидкос­ти. Образовавшийся при этом пар поступает в абсорбер А. Слабый (по хладагенту) ра­створ из генератора через дроссельный вентиль Д2 (или расширитель в обратимом цикле) также подается в аб­сорбер. В генераторе машины поддерживается давление рк, а в абсорбере - давление р0, так как эти аппараты по паровому пространству соединены соответст­венно с конденсатором и испарителем.

Рис. 4.6. Простейшая схема абсорбционной холодильной машины

непрерывного действия:

Г - генератор; Кд - конденсатор; И - испари­тель; А - абсорбер; Д1 - регулирующий вентиль хладагента;

Д2 - регулирующий вентиль раство­ра; ПМ - паровая машина; КМ - компрессор; Н - насос раствора

В абсорбере происходит поглощение пара слабым раствором, в результате чего его концен­трация повышается и доходит до концентрации, равной началь­ной в процессе кипения в генераторе. Процесс абсорбции сопро­вождается, как правило, выделением теплоты абсорбции Qа, кото­рая отводится источником, имеющим температуру окружающей среды. Крепкий раствор из абсорбера насосом Н перекачивается в гене­ратор. Таким образом, замыкаются прямой и обратный циклы и осу­ществляется непрерывная работа машины.

В абсорбционной холодильной машине с помощью ее основных элементов: генератора, дроссельного вентиля Д2, абсорбера и насоса совершается прямой термодинамический цикл, а с помощью кон­денсатора, дроссельного вентиля Д1 и испарителя - обратный термо­динамический цикл. Необходимо пояснить это подробнее.

Пар из генератора можно было бы направить в паровую машину ПМ, где после расширения от давления рк до р0 получалась бы внешняя работа L, после чего он направлялся бы в абсорбер на поглощение слабым раствором. В то же время пар из испарителя мог бы поступать в компрессор КМ, где за счет затраты работы L0 сжимался бы от давления р0 до рк и подавался в конденсатор. Так как вся работа, полученная в паровой машине прямого цикла, пол­ностью расходуется на привод компрессора обратного цикла, т.е. L = L0, то, подавая пар из генератора непосредственно в конденса­тор, можно исключить из схемы паровую машину и компрессор и тем самым совместить прямой и обратный циклы. Тепловой баланс простейшей абсорбционной холодильной машины можно записать так:
Qг + Q0 + Lн = Qк + Qа, (4.25)
где Qг - теплота, подведенная в генераторе от греющего источника; Q0 - теплота, подведенная в испарителе от охлаждаемого источ­ника, или холодопроизводительность машины; Lн - работа насоса для подачи крепкого раствора из абсорбера в генератор; Qк - теплота, отведенная в конденсаторе охлаждающей водой (окружа­ющей средой); Qа - теплота, отведенная в абсорбере охлаждающей водой (окружающей средой).
Энергетическая эффективность циклов абсорбционной холодиль­ной машины определяется тепловым коэффициентом, представля­ющим отношение холодопроизводительности к сумме затраченной в генераторе теплоты и работы насоса:

ζ = Q0 / (Qг + Lн).
В связи с тем, что величина Lн по сравнению с Qг очень мала, ее можно не учитывать. Тогда тепловой коэффициент машины
ζ = Q0 / Qг. (4.26)
Как следует из рассмотренного выше, абсорбционную холодиль­ную машину можно сравнивать с системой получения искусствен­ного холода, состоящей из теплового двигателя и компрессорной холодильной машины. Следовательно, тепловой коэффициент абсорбционной холодильной машины можно также выразить произ­ведением термического КПД прямого цикла и холодильного коэф­фициента обратного цикла:
ζ = ηтε. (4.27)
В случае совершения обратимых прямого и обратного циклов эффективность абсорбционной холодильной машины зависит только от отношения абсолютных температур греющего и охлаждаемого источников и окружающей среды:
, (4.28)
где Тh - абсолютная температура греющего генератор источника; Tинт - абсолютная температура источника низкой температуры (охлаждаемого источника); Тo - абсолютная температура окружающей среды.
В действительных циклах абсорбционной холодильной машины тепловой коэффициент ζд из-за ряда необратимых процессов всегда будет меньше ζ0.

Коэффициент полезного действия машины (коэффициент обрати­мости циклов) ηобр выражается отношением:
ηобр = ζд / ζo. (4.29)
Характерными источниками необратимых потерь в абсорбционной машине вследствие совмещения прямого и обратного циклов являются следующие: невозможность произвольного повышения температуры кипения раствора в генераторе вследствие равенства давлений в нем и в конденсаторе; неполнота процесса поглощения пара в абсорбере вследствие конечного времени контакта пара и раствора и конечной поверхности теплообмена; необходимость рек­тификации пара для повышения его концентрации в прямом цикле, так как для совмещения циклов она должна быть такой же, как и в обратном цикле. Последнее относится лишь к машинам, работа­ющим на бинарных растворах, в которых разность между нормаль­ными температурами кипения хладагента и абсорбента незначи­тельна (например, на водоаммиачном растворе).
^ 4.2.2. Тепловые расчеты теоретических процессов различных схем абсорбционных холодильных машин
Термодинамические диаграммы бинарных растворов. Чтобы вы­полнить тепловой расчет машины, необходимо прежде всего опре­делить параметры состояния вещества в узловых точках циклов. Для этого применяются различные термодинамические диаграммы и таблицы равновесных состояний для паровой и жидкой фаз рас­твора. С помощью термодинамических диаграмм значительно упро­щается и становится более точным и наглядным анализ рабочих процессов и циклов в различных схемах холодильных машин. С их помощью можно также выполнить расчет циклов графическим методом. Для водоаммиачного раствора в настоящее время имеется несколько диаграмм: концентрация - энтропия (ξ-s), энтропия - температура (s-Т), энтропия - энтальпия (s-h), концентра­ция - температура (ξ-Т), температура - давление (Т-lg р), концентрация - энтальпия (ξ-h). Кроме того, для этого раствора имеется таблица термодинамических параметров равновесных фаз для различных давлений и температур. Для раствора «бромистый литий - вода» имеются диаграммы: концентрация - энтальпия (ξ-h), концентрация - давление (ξ-lg p) и энтропия - темпе­ратура (s-Т).

Тепловые расчеты процессов абсорбционных машин наиболее наглядно и просто выполнять с помощью ξ-h-диаграмм, а их термо­динамический анализ - с помощью энтропийных диаграмм.

^ Простейшая схема абсорбционной холодильной машины. Про­цессы тепло- и массообмена в простейшей схеме абсорбционной холодильной машины (рис. 4.7, а) осуществляются с помощью следующих элементов: генератора, конденсатора, дроссельного вентиля хладагента, испарителя, дроссельного вентиля раствора, абсорбера и насоса раствора. Принцип действия машины описан ранее. Основными задачами теплового расчета теоретических процессов являются определение полных и удельных тепловых потоков в аппа­ратах, теплового коэффициента машины и энергии, затрачиваемой в насосе раствора. Далее рассматривается тепловой расчет процессов машины, работающей на водоаммиачном растворе.

Температурный режим работы машины определяется тремя независимыми параметрами внешних источников теплоты: высшей температурой греющего источника Тh1, низшей температурой охла­ждающей воды Тω1 (температурой окружающей среды) и низшей температурой охлаждаемого рассола Тs2 (охлаждаемого источника).

По известным или заданным температурным параметрам внешних источников определяются параметры жидкой и паровой фаз раствора в узловых точках циклов и изображаются процессы в термодинами­ческой диаграмме, для чего выполняются следующие операции. По значению Тh1 определяется высшая температура раствора в про­цессе кипения в генераторе: Т2 = Тh1 - ΔT, где ΔТ - разность между температурами греющего источника и кипящего раствора. Величина ΔT в любом из аппаратов машины выбирается на осно­вании технико-экономического анализа, так как от ее значения зависят площадь теплопередающей поверхности аппарата и внутрен­ние параметры циклов, а последние, в свою очередь, влияют на расход энергии в насосе и термодинамическую эффективность про­цессов. По значению Тω1 определяются температура Т и давление рк конденсации в конденсаторе: Т = Тω1 + ΔТ, где ΔT - разность между температурами конденсации водоаммиачного пара и охлажда­ющей воды. Давление рк принимается по термодинамическим табли­цам для чистого аммиака. В действительных условиях в конденсаторе вследствие конденсации не чистого хладагента, а хладагента с при­месью абсорбента давление конденсации будет несколько ниже. Некоторое завышение давления конденсации идет в запас расчета и, следовательно, не приведет в дальнейшем к ошибке. По значению ТS2 определяется низшая температура кипения в испарителе: T0 = Тs2 - ΔТ, где ΔT - разность между температурой охлаждаемого источника и низшей температурой кипения. По значению Т0 и та­блицам определяется давление насыщенного аммиачного пара в испарителе. Поскольку в испаритель поступает не чистый хлад­агент, а его смесь с абсорбентом, расчетное давление кипения умень­шают на величину Δp0 = (0,01÷0,005) МПа, тогда р0 = - Δp0. По значению Т0 определяется высшая температура кипения в испа­рителе: Т8 = Т0 - ΔТ. Значение (Т8 - Т0) зависит как от конструк­тивных особенностей испарителя, так и от концентрации кипящего раствора. Чем интенсивнее аппарат и слабее концентрация раствора, тем эта разность больше. По значению Тω1 определяется низшая (на выходе из аппарата) температура раствора в процессе абсорбции в абсорбере: T4 = Тω1 + ΔТ, где ΔТ - разность между температу­рами раствора и охлаждающей воды. В случае последовательной подачи охлаждающей воды в конденсатор и абсорбер Т4 = Tω2 + ΔТ, где Тω2 - температура воды на выходе из конденсатора. В бромистолитиевых абсорбционных холодильных машинах вслед­ствие малых абсолютных значений давления в конденсаторе при последовательной подаче охлаждающей воды, она, как правило, сначала подается в абсорбер, а затем в конденсатор. При этом дости­гается большее значение разности концентраций между крепким и слабым раствором, что для бромистолитиевых машин имеет весьма существенное значение.

Рис. 4.7. Абсорбционная холо­дильная машина без теплооб­менника и ректификатора:

а) схема машины; б) процессы в ξ-h-диаграмме;

I - абсорбер; II - насос раствора; III - генератор; IV - конденса­тор; V - регулирующий вентиль

хладагента; VI - испаритель; VII - регулирующий вентиль рас­твора

Для упрощения расчетов сопротивлениями в соединительных трубопроводах можно пренебречь и принять равными давления в генераторе и конденсаторе. По этим же соображениям можно принять равными давления в абсорбере и испарителе.

Определив указанные выше значения температур и давлений, можно вписать циклы в ξ-h-диаграмму и найти все необходимые для дальнейших расчетов параметры состояния раствора и пара. Необходимо рассмотреть расчет подробнее.

На диаграмме отмечают изобары рк и p0 для паровой и жидкой фаз раствора (рис. 4.7, б). На пересечении изотермы в области жидкости Т4 с линией p0 находят состояние крепкого раствора на выходе из абсорбера (точка 4). Из абсорбера водоаммиачный раствор насосом подается в генератор. Если пренебречь изменением энтальпии рас­твора при прохождении через насос, то состояние его после насоса, т.е. на входе в генератор, будет определяться параметрами Т4, ξr, h4, РК (точка 1). Охлажденная жидкость состояния 1 в генераторе за счет подвода теплоты от внешнего источника сначала нагревается до равновесного состояния, характеризующегося точкой 10, а затем кипит при давлении рк. Процесс кипения раствора в генераторе 10-2 характеризуется изменением его параметров от ξr, T1°, h10 в начале процесса до ξа, Т2, h2 - в конце. Точка 2 определяется пу­тем пересечения изотермы Т2 с изобарой рк. Пар, равновесный жидкости в точке 10, имеет состояние, характеризующееся точкой 1', а пар, равновесный жидкости в точке 2, - точкой 2'. Точки 1' и 2' находятся путем пересечения изотерм Т1o и Т2, проведенных в обла­сти влажного пара, с линией рк для сухого насыщенного пара. Из генератора пар в состоянии 5', равновесном среднему состоянию раствора в процессе кипения, поступает в конденсатор, где при постоянной общей концентрации ξd конденсируется в процессе 5-6 за счет охлаждения окружающей средой (охлаждающей водой). Жидкость после конденсатора дросселируется до давления p0, и в состоянии влажного пара раствор поступает в испаритель. Так как процесс дросселирования характеризуется h = соnst, то точка 7, отражающая состояние влажного пара, полученного в процессе дросселирования жидкости, совпадает с точкой 6. Влажный пар при давлении p0 состоит из жидкости состояния 7° и насыщенного пара состояния 7' с давлением р0 и температурой Т0. Точка 7' опре­деляется пересечением изотермы Т8o-T0, проходящей в области влажного пара через точку 7 с давлением р0 для насыщенного пара. Кипение жидкости в испарителе при давлении р0 за счет подвода теплоты от охлаждаемого источника характеризуется процессом 7°-8°, при этом температура кипения меняется от низшей Т0 в начале процесса до высшей Т8 в конце его. Состояние насыщенного 5 пара в конце процесса кипения в испарителе (точка 8') находится путем пересечения изотермы Т8 в области влажного пара с изобарой p0 для насыщенного пара. Поскольку в испарителе кипит раствор очень высокой концентрации, то состояние насыщенного пара в начале и конце процесса (точки 7' и 8') почти одинаково, поэтому с некоторой погрешностью состояние влажного пара на выходе из испарителя можно определить точкой 8, полученной пересечением изотермы Т8 с линией постоянной концентрации ξd. Слабый раствор после генератора в состоянии 2 дросселируется до давления р0 и поступает в абсорбер. Так как при дросселировании раствора h = соnst, то h2 = h'3, т.е. точка 3, отражающая состояние влажного пара, полученного после дросселирования жидкости, совпадает с точкой 2. Влажный пар при давлении p0 состоит из жидкости состояния 3° и насыщенного пара состояния 3'. Построение изотермы Т3° осуществляется аналогично построению изотермы Т0 в области влажного пара. В абсорбере при давлении р0 происходит поглощение пара раствором в процессе 3°-4 благодаря охлаждению его окружающей средой (охлаждающей водой). Причем увеличение концентрации раствора от ξ30 до ξa идет за счет поглощения пара, образовавшегося при дросселировании раствора, а от ξa до ξr - за счет поглощения влажного пара, поступающего из испарителя.

^ Тепловой расчет простейшей схемы машины. Допустим, что при заданной холодопроизводительности машины Q0 (кВт) в конденсаторе конденсируется G (кг/с) пара, а в генератор поступает F (кг/с) крепкого раствора. Тогда количество слабого раствора на выходе из генератора составит (F - G) кг/с. Это же количество раствора поступает в абсорбер, где в результате поглощения G пара из испарителя образуется F крепкого раствора. Как уже упомина­лось ранее, если пренебречь тепловым эквивалентом работы насоса, то тепловой баланс машины можно написать так:
Qг + Q0 = Qk + Qa.
Тепловой баланс машины, отнесенный к 1 кг пара, сконденсиро­ванного в конденсаторе, можно написать так:
qг + q0 = qk + qa,
где qг = Qг/G кДж/кг; q0 = Q0/G кДж/кг; qк = Qк/G кДж/кг; qа = Qа/G кДж/кг.
Если расход раствора, циркулирующего через абсорбер и гене­ратор, отнести к расходу пара, конденсирующегося в конденсаторе, то получится кратность циркуляции (кг/кг)

f = F / G. (4.30)
Величина кратности циркуляции показывает, какое количество крепкого раствора, поступающего в генератор, приходится на 1 кг пара, конденсирующегося в конденсаторе и поступающего в испари­тель. Материальный баланс генератора по аммиаку может быть записан в виде равенства:
,
где - количество аммиака, поступающего с крепким раствором; ξd - количество аммиака, отводимое с 1 кг пара; (f - 1)ξa - ко­личество аммиака, отводимое со слабым раствором. Отсюда

; . (4.31)
Зная кратность циркуляции и параметры состояния раствора и пара в узловых точках циклов, можно определить удельные тепловые потоки в аппаратах. Так как процессы в аппаратах совершаются при постоянных давлениях, то количество подведенной или отведенной теплоты находится по разности энтальпий вещества в конечных точ­ках процессов путем составления тепловых балансов аппаратов.

Теплота qг, подведенная в генераторе внешним греющим источником, определяется следующим образом. В генератор поступает f (кг) крепкого раствора с энтальпией h4. Следовательно, энтальпия вещества будет равна f h4. Кроме того, к раствору подводится qг теплоты от внешнего источника. Из аппарата в конце процесса ки­пения выходит 1 кг пара с энтальпией h5 и (f - 1) кг слабого рас­твора с энтальпией h2. Энтальпия всего выходящего вещества равна h5' + (f – 1) h2.

Тепловой баланс аппарата
.
Отсюда qг = h5' + (f – 1) hаf h4 или после преобразования
qг = h5' – h2 + f( h2 – h4). (4.32)
В испарителе кипит 1 кг вещества. Количество подведенной от внешнего охлаждаемого источника теплоты может быть определено как разность энтальпий вещества на выходе из аппарата и на входе в него:
q0 = h8 – h6. (4.33)
Количество отведенной теплоты в конденсаторе определяется разностью энтальпий вещества в начале и конце процесса конденсации. Так как в аппарате сжижается 1 кг пара, то

qk = h5' – h6. (4.34)
В абсорбер поступает (f – 1) кг слабого раствора из генератора с энтальпией h3 = h2 и 1 кг влажного пара из испарителя с энтальпией h8. Выходит из аппарата f крепкого раствора с энтальпией h4. Из теплового баланса аппарата
qa = h8 – h2 + f(h2 – h4). (4.35)
Насос водоаммиачного раствора перекачивает f жидкости из абсорбера в генератор. Определив удельный объем раствора v, можно подсчитать работу насоса

qн = vf(pk – р0). (4.36)

Значение удельного объема раствора (м3/кг) находится либо по таблицам, либо по приближенной формуле:
v = 0,001 / (1 – 0,356ξr).
^ Графический расчет простейшей схемы машины. Абсорбционную водоаммиачную машину можно рассчитать графическим методом c помощью ξ-h-диаграммы. Схема графических построений пока­зана на рис. 4.7, б (стр. 71). Значения q0 и qк легко определяются отрезками 8-6 и 5'-6. Чтобы определить qг и qа, необходимо провести через точки 2 и 4 прямую линию до пересечения ее в точке O с линией ξd = соnst. Из рассмотрения двух подобных треугольников 2-0-Б и 2-4-А следует, что

Из приведенного равенства следует: h0 = h2f (h2 – h4). Если теперь от h5 отнять найденное значение h0, то получится значение qг:
h5' – h0 = h5' – h2 + f(h2 – h4) = qг.
Аналогично находят значение qа:
h8 – h0 = h8 – h2 + f(h2 – h4) = qа.
Состояние влажного пара на выходе из испарителя (точка 8) находится из построения, показанного на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Определение состояния влажного пара

Через точку 8°, характеризующую состояние жидкости в конце процесса кипения в испарителе, проводится изотерма в области влажного пара. Точка 8 определяется пересечением изотермы с линией ξd = соnst.

Несмотря на кажущуюся простоту нахождения точки 8 в ξ-h-диаграмме, определить ее положение с достаточной точностью весьма сложно, так как для высоких концентраций раствора изотермы в об­ласти влажного пара проходят почти вертикально и трудно найти точку их пересечения с линией постоянной концентрации. Кроме того, для ряда бинарных растворов жидкая и паровая фазы бывают раздельными, поэтому энтальпию влажного пара в точке 8 опреде­ляют аналитически. Чтобы пояснить это, необходимо построить два треугольника 8-А-8' и 80-Б-8'. Из подобия этих треугольников можно напи­сать следующее:

где правая часть равенства есть тангенс угла наклона изотермы в области влажного пара. Обозначив


и решая последнее равенство относительно h8, получают
(4.37)
Значения К являются функция­ми температуры и давления и приводятся в термодинамических таблицах для водоаммиачного рас­твора. Энергетическая эффективность совмещенных циклов абсорб­ционной машины оценивается тепловым коэффициентом по выраже­нию ζ = q0/qг. Значение ζ определяется как аналитическим, так и графическим методами по отношению соответствующих отрезков в ξ-h-диаграмме.

^ Абсорбционная машина с теплообменником растворов и ректи­фика-цией пара после генератора. Эффективность прямого и обрат­ного совмещенных циклов абсорбционной холодильной машины может быть выражена произведением термического коэффициента полезного действия прямого цикла на холодильный коэффициент обратного цикла. Повышение значения холодильного коэффициента при постоянной температуре охлаждаемого источника может быть достигнуто подачей в испаритель чистого хладагента. Поэтому в ма­шинах с незначительной разностью в нормальных температурах кипения хладагента и абсорбента (к ним относятся водоаммиачные холодильные машины) требуется ректификация пара, поступающего из генератора в конденсатор с целью повышения его концентраций по хладагенту. В то же время ректификация пара неизбежно связана с его охлаждением и, следовательно, приводит к понижению эффек­тивности прямого цикла, поэтому при оценке общей эффективности системы совмещенных циклов необходимо учитывать эти два обстоя­тельства.

Концентрация пара может быть повышена: 1) водой; 2) крепким раствором до его поступления в теплообменник; 3) частью крепкого раствора, отводимого в ректификатор помимо теплообменника; 4) частью жидкого хладагента, отводимого в ректификатор из конденсатора.

В самом генераторе повышение концентрации пара от какого-то среднего значения до концентрации, равновесной крепкому раствору, может быть достигнуто путем подачи крепкого раствора в генератор сверху в противоток выходящему из него пару с устройством развитой поверхности контакта пара и жидкости. Это осуществляется в специальной ректификационной колонне, у которой нижняя часть заполнена слоем фарфоровых цилиндрических колец, а в верхней части установлены колпачковые тарелки.


Концентрация пара может быть повышена: 1) водой; 2) крепким
ВЬаствором до его поступления в теплообменник; 3) .частью крепкого
Каствора, отводимого в ректификатор помимо теплообменника;
1   2   3   4   5



Скачать файл (3741.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации