Цикл із механічною компресією пари

З метою наближення до простого циклу Карно, а фактично це значить - з метою створення практично корисного теплового насоса, необхідно прагнути до підведення тепла при умовах, близьких до ізотермічного. Для цього

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К. т.н., доц. Є. О. Баганов

підбираються робочі тіла, що змінюють агрегатний стан при необхідних температурах і тисках. Вони поглинають тепло при випаровуванні й віддають при конденсації. Ці процеси утворюють ізотерми циклу. Стиск пари, як правило, вимагає, щоб пара була сухою, що викликано особливостями механіки більшості компресорів. Влучення рідини разом з парою на вхід компресора може ушкодити його клапани, а надходження великої кількості рідини в компресор може взагалі вивести його з ладу (якщо не вжиті запобіжні заходи, наприклад підпружинення голівки циліндра).

Цикл із механічною компресією пари і його зображення на Т-S (температура-ентропія) діаграмі показані на рис.

Парокомпресійний цикл. 1 - випарник; 2 - компресор; 3 - приводний

двигун; 4 - конденсатор; 5 - дросельний клапан; 6 - погранична крива.

Процес розширення в соплі необоротний, він показаний пунктиром на Т - S діаграмі. Зазвичай він розглядається як адіабатичний, тобто минаючий без підведення або відводу тепла при розширенні робочого тіла.

Ідеальний парокомпресійний цикл (h=i).

Стисле робоче тіло під високим тиском залишає компресор у точці 1. Оскільки на вхід у компресор надходила тільки суха пара й завдяки нахилу ліній постійної ентропії, у точці 1 пар перегрітий. Перш ніж пара почне конденсуватися в точці 2, його варто охолодити при постійному тиску. Між точками 2 і 3 відбувається конденсація при постійній температурі (якщо немає витоків пари). Звідси видно, що теплообмінний апарат, у якому відбувається конденсація (конденсатор), завжди повинен бути розрахований на приймання перегрітої пари. Адіабатичне розширення зображується на р-i діаграмі вертикальною прямою 3 - 4, і в цьому одна із причин зручності такої діаграми. Для розрахунку циклу необхідно знати стан робочого тіла тільки на вході в компресор і виході з нього. Інше зображується прямими лініями. Випаровування відбувається при постійних тиску й температурі між точками 4 і 5.

Робота відбувається фактично в суміші рідини й пари. Вхідна у випарник суміш містить значну частку пари, іноді до 50% по масі, і ця частка робочого тіла, природно, уже не бере участь у процесі випару й поглинання

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К. т.н., доц. Є. О. Баганов

тепла. Між точками 5 і 1 відбувається ізоентропійний стиск сухої пари. На практиці його реалізувати не можна, але тут ми розглядаємо ідеалізований цикл. Його ефективність менше, ніж у циклу Карно, через необоротність процесу розширення.

Описаний парокомпресійний цикл однаковий і для теплового насоса й для холодильної машини. Його часто називають зворотним циклом Ренкіна або, менш точно, просто циклом Ренкіна.

Для оцінки різних теплонасосних систем із приводом компресора за рахунок різних палив або джерел енергії застосовують коефіцієнт первинної енергії (КПЕ). Він ураховує не тільки КОП, але й ККД перетворення первинної енергії (нафта, газ, вугілля або сонячне тепло) у роботу привода компресора. КПЕ особливо важливий при розгляді теплових насосів, до яких підводиться тільки тепло. У їхніх комбінованих схемах не завжди можна розрізнити потоки тепла й роботи. Визначення КПЕ таке:

^ у _ Полезное гаглп ат трпднрогв пос&га Затрати нераичжж э№[>гкн

Можна дати й інше визначення КПЕ, коли для привода компресора використовується теплова машина з термічним ККД

КПЭ-т|ГКОП. Подвійний цикл ренкина

Терміном «цикл Ренкіна» іноді позначається й енергетичний цикл, і парокомпресійний. Якщо теплова машина, що працює за циклом Ренкіна, застосовується для привода теплового насоса, то утворюється схема, яку можна назвати подвійним циклом Ренкіна. Така комбінація особливо цікава, коли у двох контурах можна використовувати однакове робоче тіло.

Подвійний цикл Ренкіна в координатах тиск - ентальпія.

1 - випаровувач; 2 - компресор; 3 - розширювальна машина; 4 - конденсатор; 5 - котел; 6 - живлячий насос; 7 - дросельний клапан.

Подвійний цикл Ренкіна показаний на рис. разом з його зображенням на р-i діаграмі. У ньому використовується робоче тіло R11 - хладоагент низького тиску, зручний для ротаційних машин. Такий же цикл можна створити й на основі поршневих компресора й двигуна, але оскільки він призначений для опалення житла, менш шумні ротаційні машини застосовуються ширше.

Точками а, b, з, d позначений парокомпресійний цикл, а точками а, b, е, f - енергетичний. Хладоагент адіабатично стискується від b до е за допомогою невеликого гідравлічного насоса при витраті малої роботи, якою можна знехтувати, тому що рідина практично нестислива. Такий насос використовується й в абсорбційних машинах. Між станами е і f за рахунок зовнішнього згоряння підводиться тепло в теплообміннику, якому можна назвати котлом. Максимальна температура в точці f обмежується термічною стійкістю хладоагента й масла, а не термодинамікою. Ця межа обмежує КПЕ циклу. Між f і а робоче тіло розширюється, роблячи роботу, що витрачається на привід компресора.

Фактично тепловий насос складається із двох окремих циклів, але об'єднаних для простоти. Є тільки один спільний конденсатор, а обидві ротаційні машини ідентичні й з'єднані загальним валом.

Спрощено