Author: Мазур Л.С.
Tags: тепловые двигатели в целом получение, распределение и использование пара паровые машины паровые котлы теплоэнергетика теплотехника биотехнология учебник для студентов издательство гэотар мед серия xxi век термодинамические процессы энергоносители
ISBN: 5-9231-0271-4
Year: 2003
Text
Л.С. Мазур
Рекомендовано в качестве учебника для студентов
вузов, обучающихся по специальности «Биотехнология»
Рекомендовано УМО по медицинскому и фармацевтическому
образованию России и Министерством здравоохранения
Российской Федерации в качестве учебного пособия для
студентов, обучающихся по специальности 040500 «Фармация»
Москва
Издательский дом
ГЭОТАР-МЕД
2003
УДК 621.1.01(075.8)
ББК 31.31Я73
М13
Рецензенты:
Докт. техн, наук, проф., зав. кафедрой химической энергетики Санкт-
Петербургского технологического института (технического университета)
О.Л. Рыжухин
Докт. физ.-мат. наук, проф., зав. кафедрой общетехнических дисциплин Рос-
сийского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена
А.А. Рычков
Мазур Л. С.
М13 Техническая термодинамика и теплотехника: Учебник. — М.:
ГЭОТАР-МЕД, 2003. - 352 с.: ил. - (Серия «XXI век»).
ISBN 5-9231-0271-4
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.
УДК 621.1.01(075.8)
\ ББК 31.31Я73
Напечатано в Российской Федерации.
Права на данное издание принадлежат издательскому дому «ГЭОТАР-МЕД».
Воспроизведение и распространенние в каком бы то ни было виде части или целого
издания не могут быть осуществлены без письменного разрешения издательского
дома.
ISBN 5-9231-0271-4
© Мазур Л.С., 2003
© Издательский дом «ГЭОТАР-МЕД», 2003
Предисловие
При обучении студентов по направлению — «Биотехнология», общепрофес-
сиональная 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 химико-фарма-
цевтической 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 общей 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 общеинженерной 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,
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 США, 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, бак-
расширитель
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
ДФ—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 — конденсатоотводчик
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
ПГ — парогенератор
ПЗ — переходная зона
ПП — пароперегреватель
ПП — потребитель пара
ПТ — потребитель теплоты
ПХ — потребитель холода
РБ — рубашка
РЖ — форсунка (распылитель жидкости)
РК — ректификационная колонна
PC — ресивер
РШ — решетка
С — сепаратор
СБ — сборник
СМ — камера смешения
СО — сопло
СОО — система осушки и очистки воздуха
СП — сосуд промежуточный
СУ — сушильная установка
СШ — сушилка
Т — теплообменник
ТБ — труба
ТК — топочная камера
ТМ — термометр
TH — 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
Ц — цех, производственное помещение
ШТ — штуцер
Э — эжектор
ЭМ — экономайзер
ЭТ — экранные трубы
Условные обозначения Ф 7
Обозначения величин
А — относительный вакуум
а — скорость звука
В — расход топлива
b — 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
/ — площадь сечения
д — ускорение силы тяжести
Н — энтальпия
h — удельная энтальпия
К — постоянная Больцмана
Кп — критерий Кнудсена
к — коэффициент Пуассона (показатель
адиабаты)
L — работа
I — удельная работа
М — молярная масса
т — 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
qo — удельная холодопроизводительность
R — удельная газовая постоянная
Rm~ 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
W — расход вторичного пара
w — скорость
X — влагосодержание воздуха
х — степень сухости пара
Y — доля ожиженного воздуха
у — массовая доля
а — коэффициент адиабатного
дросселирования
р — соотношение давлений
7 — коэффициенты
А — изменение величины
XG — энергия Гиббса
£ — холодильный коэффициент
< — мольная доля
£ — мольная концентрация
г) — коэффициент полезного действия
0 — температура
19 — температура
а — коэффициент использования ВЭР,
кратность циркуляции раствора в АХМ
Е — знак суммы
А — коэффициент эффективности
совмещенного цикла
р — коэффициент динамической вязкости
(вязкость)
А — длина пробега молекулы
v — температура мокрого термометра,
температура продукта при сушке
р — плотность
т — время
те — эксергетическая температурная
функция
Ч> — различные коэффициенты
Ф — коэффициент преобразования
теплоты
и — угловая скорость
Q — кратность циркуляции
д — продувка
И — коэффициент инжекции
П — количество выпускаемой продукции
ц — цена
Э — затраченная электроэнергия,
тепловой эквивалент топлива, энергия
Нижние индексы
атм — атмосферный
абс — абсолютный
ад — адиабатный
а — аппарат
А — абсорбер
в — вал, вода
в о. — вода оборотная
в.р. — вода речная
в.арт. — вода артезианская
вак — вакуум
8 4“ Условные обозначения
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
дТ — детандер
дв — двигатель
д — действительный
доп — дополнительный
е — 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
пог — потери
пр — промежуточный
пр — производство
пт — потребитель теплоты
пол — полезный
пг ~ парогенератор
пв — повышенный, повышение
пн — пониженный, понижение
пп — пар перегретый
пх —• 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
X — ХОЛОДИЛЬНЫЙ
хн — хладоноситель
хим — химический
Ц — цилиндр, цикл
эл — электроэнегрия
1 — начальное состояние
2 — конечное состояние
i — работ
г — реакционная
з — состояние насыщения
t — изотермический
т — термическая
v — подача
v — изохорный
w — испаряющаяся влага, вторичный пар
q — теплота
q — выработка теплоты
Верхние индексы
' — назыщенная жидкость
” — насыщенный пар
п — показатель политропы
к — показатель адиабаты
р — располагаемая работа
v — работа расширения (сжатия)
pv — работа проталкивания
° — табличные значения
гш
ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ
ТЕРМОДИНАМИКИ
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 единицей ее
измерения является один ватт, Вт. Удельная энергия — это
энергия одного килограмма массы вещества: э, Дж/кг.
Вещества или объекты (газ, пар, твердое вещество),
обменивающиеся энергией, называются рабочими телами.
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 теплота Q, Дж или Вт, q, Дж/кг,
и работа L, Дж или Вт, I, Дж/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 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 1
Расчеты теплоты и работы проводят на основе термодинамических пара-
метров состояния веществ, входящих в систему. Такими параметрами явля-
ются: температура Т, К, t, °C; давление р, Па; удельный объем v, м3/кг,
или плотность р = 1/и, кг/м3. К функциям параметров состояния относятся:
удельная внутренняя энергия и, Дж/кг; удельная энтальпия h, Дж/кг:
h = и + pv; (1-1)
удельная энтропия s, Дж/(кг • К):
т
То
где То — температура в точке начала отсчета энтропии, выбираемой произ-
вольно, подобно тому, как произвольно выбирается начало отсчета внутренней
энергии; Т — 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 v, Т 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 = RT, (1.3)
где R, Дж/кг • К — удельная газовая постоянная, R = Rm/M, где Rm = 8314
Дж/кмольК — универсальная газовая постоянная; М, кг/кмоль — 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.
Основы технической термодинамики 11
Реальные вещества могут существовать р
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 вр-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 ОК).
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 °C.
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 1О10 Па). Линия
насыщения ОК оканчивается в точке К, называемой критической точкой.
В этой точке исчезают различия между жидкостью и паром. Для воды это
происходит при рк = 22,115 МПа и tK = 374,12 °C, для азота рк = 3,39 МПа
и tK = -146,0 °C, для диоксида углерода рк = 7,41 МПа и tK = 31,04 °C.
Пар — это газ, верхний предел рабочих температур которого ниже кри-
тической температуры сжижения tK°C; 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 ОК и тем-
пературой 7k-
В координатах Т - s и р - v (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, ab и de — кривые двухфазной области твердое тело —
газ (линия сублимации), mb и пс — левая и правая пограничные кривые двух-
фазной области твердое тело — жидкость (линия плавления). Слева от линии
12 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава!
Рис. 1-2. Диаграмма состояния в
Т - s координатах.
Рис. 1-3. Диаграмма состояния в
р - v координатах.
mba расположена область твердой фазы, между линиями пс и Кс — область
жидкого состояния, а справа от линии Kde — область газообразного состояния
вещества — перегретого пара.
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 сухому насыщенному пару, т. е. пару, находящемуся в термическом
равновесии с жидкой фазой. Давление и температуру насыщения обозначают ра
Рис. 1-4. Диаграмма состояния водяного пара в h-s координатах.
Основы технической термодинамики Ф- 13
и ta, Та. Остальные параметры жидкости в состоянии насыщения обычно обо-
значаются одним штрихом: v', h', s', и', параметры насыщенного пара — двумя
штрихами: v", h", 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 х влажного пара. Для насыщенной жидкости
х = 0, для насыщенного сухого пара х = 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 = xv" + (l-x)v'. В области влаж-
ного пара линии постоянного давления и постоянной температуры совпадают.
Линии постоянных температур, изображенные на рисунках 1-4—1-5,
имеют значения t3 > tk > t2 > ti, значения линий постоянных давлений
Рз >Рк >Р2 >Р1-
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, h.
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 h - s 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 h- s диаграммой в этой области па-
раметров состояния затруднительно. Поэто-
му используют не полную h - s диаграмму,
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 h - lgр
или h-p; схема линий диаграммы h-p изображена на рис. 1-5.
Пример 1.1. Воздух, сжатый до давления Ъ,%МПа, собирается на предприятии
в двух ресиверах объемом по 6 л? (перед подачей потребителю). Какую массу
Рис. 1-5. Диаграмма состояния в
h-p координатах.
14 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 1
воздуха можно поместить в них летом при средней температуре = 18 °C
и зимой при t3 = -15 °C?
Решение. Заданные температуры намного выше критической температуры
воздуха, поэтому расчеты можно вести по уравнению (1.3) для идеального газа.
Для воздуха R = 287Дж/(кг- К) (см. прил. 10).
Удельный объем воздуха летом
ил = 287 • 27?-+1f = 0,104 м3/кг.
0,8 106 '
Удельный объем воздуха зимой
274 _ 1
v3 = 287------г = 0,093 м3/кг.
0,8 106
Масса воздуха в двух ресиверах объемом по бм3:
летом
2
т- = 6'бдб1 = 115кг;
зимой
2
т3 = б • —— = 130 кг.
0,93
Пример 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 • 105 Па находят: темпера-
тура is = 133,54 °C, удельный объем воды в состоянии насыщения (т. е. конден-
сата) v' = 0,0010735 м3/кг, удельный объем насыщенного пара v" = 0,6059 м3/кг,
удельная энтальпия конденсата h' = 561,4 кДж/кг, удельная энтальпия пара h" =
= 2725,5 кДж/кг, удельная энтропия конденсата s' = 1,6717 кДж/(кг-К), удельная
энтропия пара s" — 6,993 кДж/(кг-К).
Пример 1.3. Определить по таблицам удельный объем, энтальпию и энтропию пе-
регретого водяного пара при температуре 150 °C и давлении MX) кПа. Рассчитать
его внутреннюю энергию.
Решение. По таблице термодинамических свойств воды и перегретого пара
(см. прил. 3) в столбце давления р = 100 кПа = 105 Па и строке температуры
t = 150 °C находят: удельный объем v = 1,937 м3/кг, удельная энтальпия h =
= 2776,4кДж/кг, удельная энтропия s = 7,6143кДж/(кг-К). Удельную внутрен-
нюю энергию рассчитывают из уравнения (1.1)
и = 2776,4 - 100 • 1,937 = 2582,7 Дж/кг.
Пример 1.4. Определить по таблицам все параметры воды при температуре t =
= 50 °C и давлении р = 200 кПа, рассчитать внутреннюю энергию воды.
Основы технической термодинамики ❖ 15
Решение. По таблице термодинамических свойств воды и перегретого пара
(см. прил. 3) в столбце р = 200 кПа = 2 • 105 Па и строке t = 50 °C находят: удель-
ный объем v = 0,0010120 м3/кг, удельная энтальпия h = 209,4 кДж/кг, удельная
энтропия s = 0,7034 кДж/(кг-К). Удельную внутреннюю энергию рассчитывают
из уравнения (1.1)
и = 209,4 - 200 • 0,0010120 = 209,2 кДж/кг.
Таким образом, для жидкости величины внутренней энергии и энтальпии
близки по значениям.
Пример 1.5. С помощью h-s диаграммы определить качественные состояния Н2О
и недостающие параметры при следующих условиях'.
1) энтальпия hi = 3000 кДж/кг и давление pi =2 МПа',
2) энтальпия Л2 = 2661 кДж/кг и температура i2 = 90°C;
3) удельный объем v3 = 20лР/кг и энтропия «з = 7,17 кДж/(кг-Ку,
4) температура Ц = 170 °C и давление р^ = ®,%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 Н2О
и определяют недостающие параметры:
1) перегретый пар; удельный объем
vi = 0,12 м3/кг; температура ti = 290 °C;
удельная энтропия si = 6,73кДж/(кг К).
2) насыщенный пар; удельный объем
v2 = 2,6 м3/кг; давление р? = 0,07 МПа;
удельная энтропия s2 = 7,5кДж/(кг-К).
3) влажный пар; степень сухости а:3 =
= 0,85; удельная энтальпия h3 = 2200
кДж/кг; температура t3 = 36 °C; давление
Рз = 0,006 МПа.
4) состояние Н2О не определено, так
Рис. 1-6. Определение параметров со-
стояния вещества по h - з диаграмме
(к примеру 1.5).
как температуре 170°C и давлению 0,8 МПа соответствуют все точки на линии
4-4 (рис. 1-6) для влажного пара со степенью сухости 0 < х4 < 1.
Пример 1.6. С помощью Т - s диаграммы определить качественные состояния
диоксида углерода и недостающие параметры при следующих условиях:
1) энтальпия hi = ЪЬЪкДж/кг; энтропия si = 3,93 кДж/ (кг-X);
2) энтальпия h3 = 434 кДж/кг и давление рг = 4 МПа',
3) давление р3 = 2МПа и энтропия s3 = 4,61 кДж/(кг-К)',
4) температура t4 = -41 °C и энтропия s4 = Ъ,24кДж/(кг-Ку,
5) энтальпия h5 = 763 кДж/кг и энтропия s& = 5,45 кДж/(кг-К);
6) давление р3 = ЪМПа и температура t3 = 21 °C.
16 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава!
Рис. 1-7. 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 <i = -25 °C; давление pi = 12 МПа;
2) насыщенная жидкость: удельная энтропия з2 = 4,24кДж/(кг-К); темпера-
тура <2 = +3° С; Х2 = 0;
3) влажный пар: температура i3=-20°C; удельная энтальпия Л3=520 кДж/кг;
хз = 0,52;
4) насыщенный пар: удельная энтальпия h4 = 653 кДж/кг; давление р4 =
= 1 МПа; х4 = 1;
5) перегретый пар: температура t5 — 80 °C; давление р5 = 2,8 МПа;
6) состояние не определено, так как давлению р6 = 6 МПа и температуре
t6 = 21 °C соответствуют все точки на линии 6—6для 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.
Основы технической термодинамики 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:
5lv=pdv. (1.4)
Тогда дифференциальное уравнение рабочего тела, находящегося в относитель-
ном покое, приобретает вид:
6q = du + 6lv (1.5)
или
6q = du + pdv. (1-6)
Из математики известно, что
pdv = d(vp — v dp),
где
d(vp) = 6lvp (1.7)
называется работой проталкивания',
-vdp = 5lp (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 = dh — v dp. (1.9)
Или в интегральной форме:
q = A.h + lp, (1.10)
q = ^u + lv. (1.11)
18 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава!
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 с, Дж/(кг К).
с=^- (1.12)
al
Для изохорного процесса, когда v = const, Av — 0, I? = vAp, = О,
qv = Au. (1.13)
В отсутствие фазового перехода
9„ = с„ДТ, (1.14)
где cv — теплоемкость рабочего тела в изохорном процессе. Изменение энтро-
пии
т2 Т2
л f f cvdT Т2 .. ...
As„ = I — = I —= c„ln —. (1.15)
T1 71
Для изобарного процесса, когда р = const, Др = О, 1% = 0, = р Av,
qp = Ah. (1.16)
В отсутствие фазового перехода
qp = cpAt, (1-17)
где ср — теплоемкость рабочего тела в изобарном процессе.
Изменение энтропии
т2 т2
л f Г ^.р dT . Т2 .. . 0,
Asp = j = j = ср1п—. (1.18)
Ti 71
Для изотермного процесса, когда Т = const, qt = TAst, I* = q-Au, If = q- Ah.
В изотермном процессе идеального газа Ди = 0, тогда
Ц = qt = TAst. (1.19)
Таким образом, Ast = qt/T = ЩТ.
Основы технической термодинамики 19
Для изотермного процесса идеального газа уравнение Менделеева — Кла-
пейрона принимает вид
pv = Pivi = P2V2 = const. (1-20)
Решая вместе уравнения (1.3), (1.8), (1.20) получают, что в изотермном
процессе идеального газа располагаемая работа
It =-RT\n—=—pvln—. (1.21)
Pi 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:
lvt = qt =RT\n— = pvln —. (1.22)
111 Vi
Очень широко используются в промышленности изобарно-изотермные про-
цессы испарения при кипении насыщенной жидкости и конденсации насы-
щенного пара. При этом постоянная температура процесса называется темпе-
ратурой насыщения Та, а постоянное давление процесса называется давлением
насыщения ps.
Теплота, необходимая для превращения одного килограмма кипящей жид-
кости в сухой насыщенный пар, называется удельной теплотой парообразования
или испарения г, кДж/(кг-К):
г = h" - h' = Ta(s" - s') > 0. (1.23)
Эта теплота положительна, так как подводится к рабочему телу. Теплота,
выделяющаяся при конденсации одного килограмма сухого насыщенного пара
называется удельной теплотой конденсации, она также обозначается буквой г:
г = h' - h" = Ta(s' - s") < 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 Та и ра.
В процессе испарения или конденсации рабочего тела для определения
параметров влажного пара (и, и, h, s) достаточно знать температуру Та или
давление ра насыщения и степень сухости х влажного пара.
Для адиабатного обратимого процесса, когда = 0,
& = -ДЛ, (1.25)
1^ = -Au, dsan — dqan/T = 0, т. е. «ад = const, поэтому процесс называют также
изознтропным. Адиабатный процесс описывается уравнением
pvk = const, (1.26)
т.е.
PlVk =P2Vk =pvk,
(1.27)
20 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава!
где к — коэффициент Пуассона или показатель адиабаты:.
к = —. (1.28)
Су
По закону Майера:
Ср — Су "4" 7?.
(1.29)
Согласно молекулярно-кинетической теории газов 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:
fc-1
Р2 \ !
Р1)
С учетом уравнения (1.3)
к
к-1
Р2 \ к _ J
Р1/
(1.30)
(1.31)
После совместного решения уравнений (1.4) и (1.27) и после интегрирова-
ния работа расширения — сжатия адиабатного процесса:
к-1
Р2 \ к _ j
Р1)
„ 1
= тл’’11’1
(1.32)
Таким образом, для адиабатного процесса
1Р
ад _ t.
IV
1ад
(1.33)
Для идеального газа, в результате совместного решения уравнений (1.3)
и (1.27) для начала и конца процесса, получается температура газа в конце
адиабатного процесса:
к-1
Т2ш = Т1(^\ к . (1.34)
\Р1/
Обобщенным уравнением для всех термодинамических процессов является
уравнение политропы'.
pvn = const,
то есть
P1V1 =P2V2 =pvn,
(1-35)
(1.36)
где п — показатель политропы.
В изобарном процессе п — 0, в изохорном п = ±оо, в изотермном процессе
для идеального газа п = 1, в адиабатном процессе п = к. Политропный процесс
в идеальном газе протекает при постоянной теплоемкости сп. Политропный
процесс характеризуется заданным коэффициентом а распределения теплоты
Основы технической термодинамики ❖ 21
(137)
между изменением внутренней энергией Ди и работой lv. Для каждого полит-
ропного процесса а = &u/q = const. Показатель политропы можно определить
путем логарифмирования уравнения (1.36):
1п^
п = _PL
П . U2 •
In —
V1
Решая совместно уравнения (1.8) и (1.36), после интегрирования получают
для политропного процесса:
1р =-----
п - 1
— ) п -1
Р1/
(1.38)
Или, с учетом уравнения (1.3),
1р =--^—ЛТ\
п - 1
Р2
Р1
(139)
Решая совместно уравнения (1.4) и (1.36), после интегрирования получают:
—) -1
Р1)
(1-40)
Таким образом, для политропного процесса:
/р
Г ~п-
Аналогично адиабатному процессу температура газа в конце политропного
процесса
(1.41)
п—1
Т2 = ТХ (—
\Р1/
Теплоту политропного процесса можно приблизительно рассчитать из урав-
нения (1.2) при средней температуре
Tj+72
Д3.
В любом термодинамическом процессе идеального газа изменение внутрен-
ней энергии и энтальпии может быть рассчитано по формулам:
du = cv dT, (1.44)
dh = cpdT, (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 dp
ds - Ср т ~R р'
(1.42)
(1-43)
(146)
1
I =--------ГР1«1
п — 1
- 1
22 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О- Глава!
. dT „dv ,, ...
ds = cv— — R—, (1.47)
1 v
Или в интегральном виде:
Дз = 32 — si = ср1п - Я1п —, (1.48)
Г1 Pi
Дз = 32 - 81 = Cv In - Я1П —, (1.49)
11 V1
Для изобарного процесса (см. также формулу (1.18):
Л 1
Дзр = Ср In—.
С применением таблиц термодинамических функций изменение энтропии
рассчитывается следующим образом:
32 -31 = з£ — з? —/?1п —, (1.50)
Pi
где Si и 32 — 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 кПа, при уменьшении его степени сухости от 100
до 80%. Рассчитать удельные потери теплоты паром.
Решение. Параметры насыщенного и влажного пара (точки 7 и 2 на рис. 1-8)
Рис. 1-8. Изображение процесса
частичной конденсации пара в h - з
и t - з координатах (к примеру 1.7).
при давлении р = 300 кПа = 0,3 МПа = const
находят по h - з диаграмме (см. прил. 5): при
степени сухости xi = 1 удельная энтальпия
hx = h" = 2725 кДж/кг; удельная энтропия si =
= з" = 6,99кДж/(кг-К). При Х2 = 0,8: Л2 =
= 2292 кДж/кг; зг = 5,92кДж/(кг-К). Темпера-
тура пара при конденсации не меняется t =
= ts = 133 °C = const. При р = 300 кПа =
= 3 • 105 Па удельная теплота конденсации т =
= 2164,1 кДж/кг (см. прил. 2)
Удельные потери теплоты паром при его
конденсации могут быть рассчитаны по фор-
муле (1.24)
q = 2292 - 2725 = -433 кДж/кг;
или
q = (133 + 273) • (5,92 - 6,99) = -433 кДж/кг;
а также исходя из определения степени сухо-
сти влажного пара:
q = r(x2 - ®i) = 2164 • (0,8 - 1,0) = -433 кДж/кг.
Естественно, что способ расчета не влияет
на результат. Знак минус указывает на то, что
теплота в процессе отводится.
Основы технической термодинамики 4- 23
Рис. 1-9. Изображение процесса испа-
рения жидкости в t - s координатах (к
примеру 1.8).
32 31 3
Рис. 1-10. Изображение изотермиче-
ского процесса в t - в координатах (к
примеру 1.9).
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 h' — 282 кДж/кг, удельную энтропию s' = 3,68 кДж/(кг-К)
и температуру t = -30 °C (точка 7, рис. 1-9). Насыщенный пар аммиака при
тех же давлении и температуре имеет удельную энтальпию h" = 1648 кДж/кг,
удельную энтропию s" = 9,ЗкДж/(кг-К) (точка 2 на рис. 1-8).
Удельная теплота испарения аммиака при р = 0,12 МПа рассчитывается по
формуле (1.23):
q = г = 1648 - 282 = 1366 кДж/кг
или
q = т = (273 - 30) • (9,3 - 3,68) = 1366 кДж/кг.
Общий расход теплоты:
Q = mq = 200 • 1366 = 2,73 • 105 кДж/ч = 75,9 кВт.
Пример 1.9. Необходимо изотермически сжимать 2Ъкг/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 °C.
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 Ди = 0.
24 О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава!
Рис. 1-11. Изображение изотермно-
го процесса в h - s координатах (к
примеру 1.10).
Рис. 1-12. Изображение изохорного
процесса в h - s координатах (к при-
меру 1.11).
При давлении воздуха р\ — 0,1 МПа и температуре t = 22 °C = 295К его
удельная энтропия si = 3,77 кДж/(кг-К) (точка 1, рис. 1-10). При р? = 2 МПа
и t = 22 °C = 295 К, s2 = 2,93кДж/(кг-К), (точка 2). Удельное количество
отводимой теплоты и работа сжатия рассчитываются по формуле (1.19) .
lvt =qt = 295(2,93 - 3,77) = -248 кДж/кг.
Знак минус указывает на то, что теплота отводится, а работа затрачивается.
При сжатии т = 25 кг/ч воздуха:
Q = mqt = 25 • (-248) = -6200 кДж/ч = -1,72 кВт.
Пример 1.10. Водяной пар массой 1 кг, состояние которого определяется темпера-
турой 200 °C и давлением 0,1 МПа, 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 pi = 0,1 МПа = 100кПа и температуре ti = 200°С удельная
энтальпия пара hi = 2875,2 кДж/кг, энтропия «1 = 7,8348кДж/(кг К), удельный
объем vi = 2,172м3/кг (точка 1, рис. 1-11). При рг = 1 МПа = 1000кПа и t2 =
= 200 °C, h2 - 2875,2 кДж/кг, s2 = 6,694 кДжДкг-К), v2 = 0,206 м3/кг, (точка 2).
Количество отводимой теплоты рассчитывается по формуле (1.19)
q = (273 + 200) • (6,694 - 7,8348) = -539 кДж/кг.
Знак минус указывает на то, что теплота отводится.
Внутренняя энергия рассчитывается из уравнения (1.1).
Изменение внутренней энергии:
Ди = (h2 - hi) - (p2V2 - pivi)
Основы технической термодинамики Ф 25
«°C
Рис. 1-13. Изображение изобарного
процесса в t-s координатах (к примеру
1.12).
Рис. 1-14. Изображение адиабатного
сжатия в t - s координатах (к примеру
1.13).
Ди = (2827,5 - 2875,2) - (1000 • 0,206 - 100 • 2,172) = -36,5 кДж/кг.
Знак минус указывает на то, что внутренняя энергия уменьшается.
Работа сжатия рассчитывается из уравнения (1.11):
Г = q - Ди = -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 лг3 при давлении 0,8 МПа.
Найти количество теплоты, подведенной к пару, если 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 = 0,2м3/кг. На h - s диаграмме начальная
точка 1 лежит на пересечении изохоры v = 0,2 м3/кг и изобары pi = 0,8 МПа,
энтальпия пара в этом состоянии hi = 2420 кДж/кг, степень сухости xi = 0,83,
температура ti = 170 °C. Конечная точка 2 лежит на пересечении заданной
изохоры v = 0,2 м3/кг и изобары р2 = 0,9 МПа, энтальпия пара в этом состоянии
h2 = 2640 кДж/кг, степень сухости х2 = 0,935. Температура t2 = 175 °C.
Для изохорного процесса удельное количество подводимой теплоты рас-
считывается по уравнению (1.13) с учетом уравнения (1.1):
qv = Ди = и2 - ui = (h2 - hi) - и(ра - Pi)
q = (2640 - 2420) - 0,2(0,9 - 0,8) • 103 = 200 кДж/кг.
Количество теплоты, подведенное к т = 10 кг пара:
Q = mqv = 10 200 = 2000 кДж.
26 -Ф- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава 1
Пример 1.12. Какое количество теплоты необходимо подводить к воздуху для
нагревания его от -23 °C до +22 °C 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. 1-13.
При температуре h = -23 °C = 250 К и давлении р = 0,1 МПа энтальпия
воздуха hi = 462 кДж/кг. При t2 = 22 °C = 295 К и р = 0,1 МПа h2 = 508 кДж/кг.
Удельное количество подводимой теплоты в изобарном процессе рассчитыва-
ется по уравнению (1.16):
qp = 508 - 462 = 46 кДж/кг.
Расход теплоты на нагрев т = 104 кг/ч воздуха:
Q = rnqp = ю4 • 46 = 4,6 • 105 кДж/ч = 128 кВт.
Пример 1.13. Определить температуру диоксида углерода после идеального адиа-
батного сжатия от давления 0,1 МПа до давления ОАМПа. 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 pi = 0,1 МПа и температуре = 3°С
его энтальпия hi = 713 кДж/кг и энтропия «1 = 5,9кДж/(кг-К), (точка 7,
рис. 1-14)
Идеальный процесс адиабатного сжатия происходит при s = const. При
s2 = si = 5,9кДж/(кг-К) и р2 = 0,4 МПа, h2 = 796 кДж/кг, t2 = 100°C (точка 2,
рис. 1-14).
Для идеального адиабатного процесса располагаемая работа рассчитывается
по уравнению (1.25):
/Рц = -(796 - 713) = -83 кДж/кг.
Знак минус указывает на то, что работа затрачивается.
Для 220 кг/ч газа:
Lp = 220 • (-83) = -18260 кДж/ч = -5,1 кВт.
Пример 1.14. Определить, до какого значения понизится температура воздуха
при идеальном адиабатном расширении, и какая располагаемая работа при этом
будет получена. Начальное давление воздуха 20 МПа, температура 27 °C. 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.
Основы технической термодинамики
27
Рис. 1-15. Изображение адиабатного
расширения в Т - з координатах (к при-
меру 1.14).
Рис. 1-16. Изображение политропно-
го сжатия в Т - з координатах (к при-
меру 1.15).
При давлении воздуха pi = 20 МПа и температуре Т) = 27 + 273 = 300 К его
энтальпия hi = 476кДж/кги энтропия si = 2,22кДж/(кг-К), (точка 1, рис. 1-15).
Идеальный процесс адиабатного расширения происходит при s = const.
При s2 = si = 2,22кДж/(кг-К) и рг = 0,1 МПа, h2 = 268 кДж/кг, Т2 = 82 К
(точка 2, рис. 1-15).
В идеальном адиабатном процессе располагаемая работа рассчитывается по
уравнению (1.25)
/Рц = -(268 - 476) = 208 кДж/кг.
Эта работа может быть получена при расширении газа, она обычно назы-
вается технической работой.
Пример 1.15. 100кг/ч воздуха политропно сжимается от давления Ъ,\МПа до
давления 4 МПа. Температура воздуха до сжатия 20 °C, после сжатия 50 °C.
Определить 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 R = 287кДж/(кг К) (см. прил. 10).
Удельные объемы воздуха до и после сжатия рассчитываются из уравнения
(1.3):
vi = 287 • 273 + = 0,84 м3/кг,
0,1 • 106
v2 = 287 • 273 + 2- = 0,023 м3/кг.
4•106 '
28 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава 1
Показатель политропы процесса рассчитывается по уравнению (1.37):
п =
1 °’Х
1,1 т
, 0,023
0,86
= 1,02.
Удельная работа сжатия газа в процессе рассчитывается по уравнению
(1.40):
Г =
1
1,02 - 1
• 0,1 • 0,84
1,02-1
1,02
= -0,315 МДж = -315 кДж
- 1
Lv = т Г = 100 • (-315) = -3,15 • 104 кДж/ч = -8,75 кВт.
Знак минус показывает, что работа затрачивается.
Располагаемая работа, затрачиваемая в этом процессе, рассчитывается из
уравнения (1.41):
IP = пГ = 1,02 • (-315) = -321 кДж/кг.
. Lp = т • 1Р = 100 • (-321) = -3,21 • 104 кДж/ч = -8,92 кВт.
Количество теплоты политропного процесса может быть определено с по-
мощью Т - s диаграммы воздуха (процесс 1—2, рис. 1-16). Энтропия воздуха
si = 3,77кДж/(кг • К); в2 = 2,81 кДж/(кг • К). Удельный расход теплоты рассчи-
тывается по уравнению (1.43):
(273 + 20) + (273 + 50) ,п п п .
q = -------------------- (2,81 - 3,77) = -296 кДж/кг.
£
Знак минус указывает на то, что теплота в рассчитываемом процессе отво-
дится. Общее количество отводимой теплоты:
Q = mq = 100 • (-296) = -2,96 • 104 кДж/ч = -8,2 кВт.
Изменение удельной внутренней энергии воздуха в результате сжатия рас-
считывается из уравнения (1.11)
Ди = q - Г = -296 + 315 = 19 кДж/кг.
Ди = т Ди = 100 • 19 = 1900 кДж/ч = 0,528 кВт.
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 wdw, потенциальной gdZ, где w — скорость
потока, д — ускорение силы тяжести, Z — геометрическая высота. Работа
складывается из работы проталкивания, рассчитываемой по формуле (1.7),
lvp = p(dv); технической работы /тех, производимой какими-либо механизмами,
Основы технической термодинамики 29
или, например, электромагнитными силами; и работы трения /тр. В результате
получается уравнение потока:
6q = wdw 4- gdZ 4- du 4- d(pv) 4- <5ZTex + <^тр- (1.51)
Так как согласно уравнению (1.1) в дифференциальной форме
du 4- d(pv) — dh,
то
6q = w dw + д dZ + dh + dlTQX 4- 61тр- (1.52)
Или в интегральном виде:
q = —- 4- g(Zz — ^i) + (uz — Ui) 4- (jpzvz - Pi^i) 4- /Tex + ^rp- (1.53)
2 _ 2
Я = ~2----- + s(^2 ~ Zi) + (/l2 — Л1) + /тех + /тр- (1-54)
Теплота к потоку может подводиться извне, <5двн, и в результате трения
потока о стенки канала, <5<7тр, т. е. 5q = <5gBH + <5?тр- Для преодоления сил трения
затрачивается работа J/rp = <5^, тогда
<5qbh = w dw + д dZ + dh + 5/тех (1.55)
Рассмотрим некоторые частные случаи при движении рабочего тела по
каналу.
Для потока, не совершающего технической работы, т.е. <5/тех = 0, при
отсутствии внешнего подвода теплоты, т.е. <5qbh = 0, в случае несжимаемой
жидкости, т.е. dv = 0, пренебрегая трением, т.е. <5дтр = <Итр = 0, уравнение
(1.51) преобразуется к виду:
О = w dw + д dZ + du + d(pv).
В рассматриваемом случае du = 0, так как в уравнении (1.6) 5q = 0 и dv = 0;
d(pv) = vdp, так как pdv = 0, следовательно
Q = wdw + gdZ + v dp.
После интегрирования этого уравнения с учетом того, что v = 1/р, где р —
плотность жидкости, получается
2 2
4- pgZi 4-pi = + Р9^2 +Р2- (1.56)
£ Ла
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 совершающего технической работы, т. е. <5/тех = 0, не меня-
ющего своей высоты, т. е. dZ = 0, в случае адиабатного течения, т.е <5двн = 0,
уравнение (1.55) преобразуется к виду:
—dh = wdw.
(1.57)
30 О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 1
В этом уравнении dh называется адиабатным теплоперепадом. После ин-
тегрирования уравнения (1.57) можно получить скорость потока на выходе из
системы
w2 = [2(/ц-Л2)+™?]°'5. (1.58)
В случае 617ех = 0, dZ = 0 и отсутствия трения <5^ = <5/Тр = 0, учитывая,
что 5q = du + pdv, d(pv = pdv + vdp), преобразуя уравнение (1.51) и вспомнив
уравнение (1.8), получим
wdw =—vdp = 61р. (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. Ско-
рость потока в конце процесса:
W2 =
2 j (-vdp) + Wj
. pi
(1.60)
при V = const И W1 <Cw2
w2 = [2v(pi - Рг)]0,5 .
(1.61)
В том случае, когда 6lKX = 0, dZ - 0, <5/тр = <5<ftp = 0 и <5gBH - 0, t. e. 6q = 0,
справедливы уравнения (1.57) и (1.59):
—dh = w dw = —v dp = 6lp. (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 §0м/с. В конце трубопровода, расположенном на высоте 10 м, удельная
энтальпия воздуха 300 кДж/кг, скорость \Ьм/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:
а-----------1
4 2
LTex — * ^тех —
— р(^2 — Z\) — (hz — h\)
LTex — 5 30 IO3
------------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,
Основы технической термодинамики 4- 31
давление уменьшается dp < 0, скорость увеличивается dw » 0, причем w2 > wi,
техническая работа не совершается сйтех = 0, геометрическая высота потока не
меняется dZ = 0. Уравнение (1.60) принимает вид:
W2 =
(1.63)
Из уравнения (1.27) адиабатного процесса: v = ^(pi/p)1/*; подставив это
выражение в уравнение (1.63) и проинтегрировав, получим скорость потока
при истечении через суживающийся канал:
W2 = 2 • ----VtPi 1 -
К х
рЛ к
Pi)
*-1 т °>5
(164)
Согласно уравнению сплошности, массовый расход вещества в потоке
постоянен и может быть, в частности, рассчитан через параметры потока
в его узком сечении т = /2«'2/f2- Подставим в это выражение скорость w2
из уравнения (1.64) и удельный объем о2 из уравнения адиабатного процесса
(1.27). После преобразования получим массовый расход вещества потока при
истечении через суживающийся канал:
Pi / \Р1
(1.65)
Эта зависимость носит экстремальный характер, так как т = 0 при рг—Pi
и при Р2 = 0. Для определения максимального расхода mmax и максимальной
скорости Wmax возьмем производную от выражения в квадратных скобках урав-
нения (1.65) и приравняем ее к нулю. Получим, что т = mmax, «2 = wmax при
Это соотношение давлений называют критическим:
Для идеальных одноатомных газов, когда к = 1,4, /Зкр = 0,53, для двух-
атомных, когда к - 1,3, 0кр — 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:
»2 = ™кр =
„ к
Чт-р"’1
= [fcp2t>2]°’5 = [АгркрУкр]0,5
(1-67)
В случае течения через канал потока идеального газа, когда pv = RT, т. е.
Ркр^кр = 7?7|ф,
™кр = (ЙЯТкр)0,5.
(1.68)
32 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава!
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.
Wkp = а = (ЬЯТкр)0’5. (1.69)
Теоретически после достижения
Рис. 1-17. Истечение из суживающегося
канала: а - схема истечения; б - зависи-
мость массового расхода газа в канале от
соотношения давлений.
своих максимумов скорость и расход
вещества, согласно уравнениям (1.64) и
(1.65), должны уменьшаться при умень-
шении соотношений давлений (см.
рис. 1-176, штрихпунктирная кривая),
однако на практике скорость и расход
вещества остаются постоянными и рав-
ными максимуму (рис. 1-176, сплошная
кривая). Это расхождение теории с дей-
ствительностью объясняется тем, что,
при Р2/Р1 < /?кр, непосредственно на
выходе из суживающегося канала уста-
навливается постоянное давление =
= Pi х /?кр, независимо от давления р2,
существующего за пределами канала.
Этому постоянному давлению ркр, есте-
ственно, будет отвечать и постоянный
расход вещества, равный максимально-
му значению rnmax. Таким образом, по-
ка в суживающемся канале давление
падает от pi до р2 = Ркр, скорость потока
растет от нуля до w2 = а, что приводит
к увеличению расхода вещества от нуля
до штах.
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 pi до ръ = р*?:
Ркр 9
f
I -vdp = Лкр - hr =
-wl
pi
При дальнейшем интегрировании от ркр до р? < 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 pi до рг < Ркр для
роста скорости выше критической, канал после Достижения потоком критиче-
Основы технической термодинамики & 33
ской скорости должен стать расширяющимся. Такой канал называется соплом
Лаваля (рис. 1-18).
Сопло — 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-
вых — расширяющийся.
Канал, применяемый для торможения потока
(dw < 0) за счет превращения кинетической энер-
гии потока в потенциальную энергию сжатого
газа (dp > 0) называется диффузором.
При дозвуковых скоростях диффузор — рас-
ширяющийся канал, при сверхзвуковых — сужа-
ющийся.
Рис. 1-18. Сопло Лаваля и рас-
пределение скорости потока по
длине сопла.
Расширяющиеся и сужающиеся каналы при-
меняются в турбинах, турбонасосах и турбо-
компрессорах, в детандерах, в струйных насосах
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. 1.66) 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 клапан. Проходное сечение кла-
пана ЬЪмм. Давление пара до клапана рп = 0,3 МПа, температура tn = 190°C.
Аппарат работает под давлением ра = 0,12 МПа. Максимально допустимое дав-
ление в аппарате рм = ОДЗМПа. Показатель адиабаты водяного пара к = 1,135.
Задачу решить аналитически и графически.
Решение.
1. Аналитический расчет.
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
2 1 1,135-1
= 0,577.
2-4675
[1,135 + 1
34 <• ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Глава!
Соотношение давлений при аварии регулирующего клапана
Ра _ 0,12
рп 0,30
= 0,4 <
Следовательно, режим истечения сверхкритический и расчет ведется по
соотношению давлений Р2/Р1 = /?Кр = 0,577.
Клапан пара диаметром d = 50 мм имеет площадь проходного сечения
= 3,14.(0,05)^ =1|9610.3м,
4 4
При Рп = 0,3 МПа и tn = 190°C удельный объем водяного пара г>п =
= 0,70 м3/кг (см. прил. 3)
Аварийный приток пара в аппарат при отказе регулятора давления рассчи-»
тывается по уравнению (1.65):
Г 1135 ПЧ -1П6 Г 2 1,135+11 > °’5
т = 1,96 • IO"3 j 2 • х t • о 70 • 0,577Ы35 _ 0,577 М35 |
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 рм =
= 0,15МПа. Давление пара после мембраны атмосферное, т.е. ратм = 0,1 МПа.
Перепад давлений на сбросном отверстии при истечении из аппарата через
мембрану в атмосферу
— = = 0,667 > = 0,577.
рм 0,15
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
vM = 1,16м3/кг (см. прил. 2). / "
Площадь проходного сечения сбросного отверстия мембраны /м рассчиты-
вается из уравнения (1.65), но с запасом: например, принимается коэффициент
расхода через мембрану 0,6, тогда аварийный приток пара, уходящий через
мембрану:
0,82 = /м • 0,6 12 •
1,135
1,135 - 1
0,15 • 106
1,16
2 1,135+1'
0,6771.135 -0,677 1.135-
0,5
/м = 0,0061 м2.
Отсюда диаметр проходного сечения мембраны:
du
0,0061 \ 0,5
3,14 )
= 0,09 м.
2. Графическое решение.
Скорость пара при аварийном истечении через клапан рассчитывается по
Основы технической термодинамики 35
Рис. 1-19. Изображение адиабатных про-
цессов истечения из отверстий в h - s
координатах (к примеру 1.17).
уравнению (1.58), пренебрегая скоро-
стью до клапана. В принятых в данной
задаче обозначениях:
w = [2(ЛП — Лкр)] ’ ,
где /г„ — энтальпия пара при давлении
рп = 0,3МПа и температуре tn = 190°С,
hn = 2845 103Дж/кг (точка 1, см. прил. 5
и схему построений на рис. 1-19); hKp —
энтальпия пара при критическом давле-
нии, Ркр = Зкр Pn 'l
Ркр = 0,577 • 0,3 = 0,173 МПа.
Для определения /?кр строят процесс
истечения пара (рис. 1-19) на диаграмме
от точки 1 с параметрами рп И tn по
линии постоянной энтропии до давле-
ния ркр (точка 2 на рис. 1-19), находят /гкр = 2736 • 103 Дж/кг, vKp = 1,15 м3/кг
(см. прил. 5).
W = [2(2845 - 2736) • Ю3]0’5 = 467 м/с.
Аварийный расход пара через клапан т = wf/vKp,
лг,„ 1,96 • 10~3 _ .
т = 467----—— = 0,80 кг/с,
1,15
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 — ^атм)]^’5!
где hM — энтальпия насыщенного пара при срабатывании мембраны, т.е. при
давлении рм = 0,15 МПа, hM = 2694-103 Дж/кг (точка 3 на рис. 1-19 и прил.5);
Латм — энтальпия влажного пара при атмосферном давлении ратм = 0,1 МПа.
Для определения Латм строят процесс истечения пара на диаграмме (прил. 5)
от точки 3 для насыщенного пара при давлении рм = 0,15 МПа по линии
постоянной энтропии до давления ратм (точка 4 на рис. 1-19), находят /гатм =
= 2624 • 103 Дж/кг, vaTM = 1,7 м3/кг, тогда
wM = [2(2694 - 2624) • Ю3]0’5 = 374 м/с.
Необходимая площадь сечения мембраны
_ mvm
JM — , Ч
ЛЖ=0,006^.
36 < ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА < Глава 1
Отсюда диаметр проходного сечения мембраны:
\ к J \ 3,14 /
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 • 10577а, температура
220 °C, атмосферное давление 758 мм рт.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 • 105 Па.
Отношение давлений при истечении:
Р2 758 • 133,3
— — ---------г- = U,ооо ,
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.
2
( Р2
\PiJkp LM0 + 1.
Р2/Р1 > (Р2/Р1)кр, следовательно, истечение происходит при скорости газа
меньше критической, перепад давлений будет использован полностью. Воздух
при температуре 20 °C является идеальным газом,поэтому pii?i = RT\, где удель-
ная газовая постоянная для воздуха R = 287Дж/(кгК) (прил. 10); температура
воздуха Ti = 273 + 20 = 293 К.
Скорость истечения рассчитывается по уравнению (1.64):
0,5
= 172 м/с.
1,40—1 ~
-287-293- 1 -0,835 МО
(о 1,40
W9 = ( 2 -------
1 1,40 - 1
Площадь сечения отверстия:
= 3,14-0,005^ =1q_6m2
4 4
Объемный расход воздуха через отверстие:
V = fw2 = 19,6 • 10-6 • 172 = 3,37 • 10-3 м3/с = 12 м3/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 ЗАКОН 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 dsr = -6qr/Tr,
а энтропия холодного тела возрастает на величину 6sx = Sqx/Tx.
При отсутствии тепловых потерь передаваемая теплота 6qr = 6qx = 6q. Суммар-
ное изменение энтропии системы
ds = dsr + dsx = 6q > О,
т.к. температура горячего тела ТТ всегда больше температуры холодного тела
Гх.
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 и 1-гр- Внешней называют
необратимость, обусловленную конечной разницей температур в процессе теп-
лообмена.
Рис. 1-20. Теоретический 1—2 и действительный 1—2р, процессы при течении через сопло
ък- swT - s координатах.
38 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Глава!
Рис. 1-21. Теоретический 1—2 и действительный 1-2л процессы при течении через
диффузор в h - s \лТ - s координатах.
Рассмотрим отличие действительного процесса истечения от идеального.
Считаем по-прежнему процесс истечения адиабатным, т.е <5<?вн = 0, одна-
ко, вследствие необратимости процесса, энтропия потока увеличивается из-за
<5дтр > 0. На рис. 1-20 и 1-21 изображены теоретический (1—2) и действительный
(1—2л) процессы в соплах и диффузорах.
Действительная скорость рабочего тела, достигаемая в соплах, рассчитыва-
ется по уравнению (1.58), пренебрегая wi (так как w2a»wi), и с подстановкой
действительной h2a вместо теоретической h2:
w2a = [2(/ц - Л2д)]0’5,
так как h2a > h2, то ад2д < w2, w2a = <pw2, где <р — 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 <р = 0,9.
Удельный объем рабочего тела, получаемого после сжатия в диффузорах
больше теоретического и2д > v2, так как действительная температура газа после
сжатия больше теоретической Т2л > Т2. На рис. 1-20 и 1-21 в Т - s координатах
штриховкой показаны величины <?тр-
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 < pi,
следовательно v2 > vi; s2 > sr, так как <5<Утр = <^тр / 0. Скорость потока до
и после сужения (но не в сужении) практически не меняется w2 = wi.
Тогда уравнение (1.58) приобретает вид:
h2 = hi. (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 (1.70) на-
зывается уравнением дросселирования.
Температура рабочего тела при дросселирова-
нии может оставаться постоянной, увеличиваться
или уменьшаться в зависимости от работы про-
талкивания. Если работа проталкивания не со-
Pi
Р2
51 «2
Рис. 1-22. Дросселирование ра-
бочего тела через сужение в
канале.
вершается, т. е. p2v2 = Pivi, то при h2 = hi внутренняя энергия не меняется и2 =
= щ (см. уравнение (1.1)), следовательно Т2 = Т1? что имеет место, в частности,
для идеальных газов. Если p2v2 > pivi, то и2 < щ и Т2 < Тх. И наоборот, если
Р2^2 > P1V1, то и2 > Щ И Т2 > Ti.
Явление изменения температуры рабочего тела при адиабатном дроссе-
лировании называется эффектом Джоуля — Томсона. При dT < 0 эффект
считается_цоложительным, 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 Джоуля — Томсона, или дифференциальным дрос-
сель-эффектом. Интегральный дроссель-эффект есть изменение температуры
при изменении давления от pi до р2
Р2
T2-Ti = | adp. (1.71)
pi
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
51 S3 8
Рис. 1-23. Изображение процесса дрос-
селирования влажного пара в h-s коор-
динатах.
40 •> ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава!
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 кПа. Для снижения
давления пара производят его адиабатное дросселирование через вентиль. Опреде-
лить температуру пара после дросселирования.
Рис. 1-24. Изображение дросселиро-
вания насыщенного пара Bh-svit-s
координатах (к примеру 1.19).
Решение. Для решения задачи парамет-
ры водяного пара в его начальном и конеч-
ном состояниях находят по приложению 5.
Схема построений изображена на рис. 1-24.
Насыщенный пар давлением pi =
= 1МПа (точка 1, рис. 1-24) имеет
удельную энтальпию hi = 2777,0 кДж/кг,
удельную энтропию si = 6,6кДж/(кгК);
температуру ti = 179,88 °C (температура его
конденсации).
При адиабатном дросселировании эн-
тальпия вещества не меняется, следова-
тельно, после дросселирования энтальпия
Л2 = hi = 2777,0 кДж/кг-К, давление р2 =
= 300 кПа. На диаграмме водяного пара
по h2 и р2 строят точку 2, характеризу-
ющую свойства пара последросселиро-
вания, находят з2 = 7,11 кДж/кг-К., t2 =
= 158 °C. Температура конденсации такого
пара 133,54 °C.
ГШША ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ
МЕТОД
2 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО
АНАЛИЗА
2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
На проведение любого технологического процесса тре-
буются затраты энергии. Энергия может подводиться или
отводиться в форме теплоты и работы. От того, насколько
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 преобразования
этих энергий зависят от параметров окружающей среды:
чем меньше разность параметров среды и рабочего тела,
42 <• ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 2
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, Дж; е, Дж/кг — 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 анализа •Ф’ 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. Эк-
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 рж, Тж, ^ос? Woe, ^ос, ^ос*
В большинстве приведенных в данной книге расчетов принято = 20 °C;
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 +20 °C эксергия воздуха с температурой +20 °C равна
нулю; зимой же, при -20 °C, эксергия воздуха с температурой +20 °C 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 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 2
ЕЭ'
ЕЕ'
|ОБ2|
|ОБЗ]
ЕЭ'т ;
EC ।
еэ; I
M I
EC I
ec;
Шос
-О
j E^m --‘
;еэ"
!E^" —
Qoc
ЕЭ"
ЕЕ-
И
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 Е 3^т, с теплотой Е Q' и с работой Е L'. Справа показаны
объекты ОБ4, ОБ5, ОБ6, служащие приемниками энергии материальных пото-
ков Е теплоты Е Q" и работы Е Е" Каждый поток несет соответствующие
эксергии на входе: Е Е'т> Е Ег £Е1 = £ Е" и на выходе: Е Ет> Е Eq, Е Е" =
= ЕЬ".
Число источников и приемников может быть любым, и, в частности, неко-
торые из них могут отсутствовать.
Система так же может обмениваться веществом тос 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 Qoc- Именно к такой цели стремятся разработчики
безотходных производств.
Для каждой технологической системы можно составить материальный,
энергетический (тепловой) и эксергетической балансы.
Материальный баланс.
У^ т' + т^. = т" + Am, (2.1)
где Е т', Е т" — сумма материальных потоков, входящих в систему и выходя-
щих из нее; т'ж — поток веществ, поступающих из окружающей среды; Am —
изменение массы вещества в системе.
Энергетический баланс:
^Q' + £>' = ^Q" + HL" + Qoc, (2.2)
Эксергетический метод термодинамического анализа ❖ 45
где 52 Q' и 52 Q" — сумма потоков теплот, входящих в систему и выходящих из
нее; 52 Ь' и 52 L" — сумма работ, подводимых к системе и получаемых от нее;
Qoc — теплота, отдаваемая в окружающую среду или получаемая из нее.
Если система обменивается с другими системами энергией только в форме
теплоты, то баланс принимает вид:
Eq' = £q"+Qoc,
такой баланс называется тепловым.
Уравнение потоков эксергии имеет вид неравенства:
+ + + с2-3)
где Е'т и Е£ — эксергии входящих в систему и выходящих из нее потоков
веществ; Е' и Е" — 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 52 ^т+52 +52 E'i — 52 и 52 ^т+
+ 52 + 52 Д" = 52 Е", то в самом общем виде:
Е' > 52 Е",
Чтобы это неравенство превратилось в тождество, необходимо к его правой
части добавить величину потерь эксергии 52 D, обусловленных необратимостью
процессов:
= + <2-4>
В частном случае может быть SE" = 0, т. е. вся подведенная эксергия потеряна
в следствии необратимости процессов.
Потери эксергии можно подсчитать по уравнению Гюи — Стодолы:
где 52 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 экс-
ергетическим балансом. Эксергетический баланс
наглядно можно представить в виде диаграммы
Грассмана (рис. 2-2). На этой диаграмме каждый
поток эксергии изображается полосой, ширина
которой пропорциональна его величине. Потери
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
Рис. 2-2. Диаграмма Грассма-
на для потоков эксергии.
46 > ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ 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, КПД однозначно определяется отношением
L"
Г’
где L' — затраченная работа; L" — полученная работа.
Для установок, к которым энергия подводится в форме теплового потока,
а отводится в форме работы, КПД часто определяется также отношением
L"
Г,~ Q"
где L" — полученная полезная работа; Q' — затраченная энергия в виде
теплоты. (
Значительно сложнее определить КПД 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 КПД подставляют сумму
L" + Q". Но энергии в форме теплоты и работы неравноценны, и определение
КПД 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:
г)е =
Xе''
Если полезно используется только часть выходящих потоков эксергии, то
Ъ =
Уе1 ’
(2.5)
где 52 ^пол — сумма полезноиспользуемых потоков эксергии.
Такой КПД, T}s, называется эксергетическим коэффициентом полезного
действия.
Эксергетический метод термодинамического анализа 4- 47
В некоторых случаях целесообразно использовать «разностный» способ
определения эксергетического КПД. Если обозначить уменьшение всех вхо-
дящих эксергий через а возрастание эксергий получаемых продуктов
через 52 АЕ", то выражение для т/е примет вид:
52 ДЕ"
Эксергетический КПД 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, потери эксергии возможны со сбросными потоками — внешние потери
зксергии, 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 (например,
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 возмож-
ностей 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, Е = 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 Ev, Дж; ev, Дж/кг;
• эксергия потока вещества Е, Дж или Вт; е, Дж/кг;
48 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 2
• эксергия потока теплоты Ея, Дж или Вт; е,, Дж/кг;
• эксергия потока излучения Е„, Дж или Вт; еи, Дж/м2.
Эксергия вещества в замкнутом объеме и в потоке состоит из следующих
составляющих: термической ет (зависящей от температуры), механической или
деформационной ер (зависящей от давления), реакционной ет (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 еХим,
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 КПД 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 замкнутом объеме,
ev, 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 череэГи,^, h, р, v, Т.
При полном равновесии как внутри системы, так и с окружающей 'средой, эти
параметры обозначаются Uoc, «ос, Лос, Рос, Voc, ^ос-
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 I
(механическое взаимодействие).
Максимальная полезная работа, которую может совершить вещество в за-
мкнутом объеме, равна работе расширения (сжатия), 6Г, за вычетом работы,
затрачиваемой веществом на преодоление давления окружающей среды в обра-
тимом процессе при рос = const
dev = 8lv — рос dv, (2.6)
Из уравнения (1.4) следует, что 6Г = 6q-du. Подвод (отвод) теплоты 6q в окру-
жающую среду в обратимом процессе происходит при Гос = const, поэтому
Эксергетический метод термодинамического анализа Ф- 49
из уравнения (1.2) следует, что 6q = dq = Toe ds. Подставив эти выражения
в уравнение (2.6), получим:
dev = Toe ds — du — рос dv. (2.7)
Для процесса, завершающегося выравниванием соответствующих параметров
вещества и окружающей среды, т. е. после интегрирования от заданных пара-
метров вещества и, s, v до параметров вещества при равновесии его с окружа-
ющей средой Uoc, Зое, г>ос, выражение (2.7) примет вид:
eV = 7oc(soc ~ в) — (Uoc — u) — Рос(^ОС ~
или иначе
ev = (и - иос) - 7ос(з - Зое) + Рос (и - Uoc). (2.8)
Таким образом, е„ есть функция состояния рабочего тела, так как однозначно
определяется параметрами состояния рабочего тела, если параметры окружа-
ющей среды заданы. Поскольку величины Uoc, soc, рос, г-'ос, ТОс постоянны при
фиксированной окружающей среде, обозначим
Uoc Тос^ос "Ь Роемое = С, (2.9)
тогда
ev = и - Тжз + pocu + С.
Для всей массы т вещества, находящегося в замкнутом объеме:
Ev = те„. (2.10)
При расчетах, связанных с определением разности величин ev при переходе
системы из состояния 1 в состояние 2, значение величины С не меняется, тогда
Де„ = Ди — Тос Дз + pocAv, (2.11)
eV2 ~ evl = (и2 - ui) - Тос(«2 - Si) + Poc(u2 - Ui).
В процессе выравнивания параметров системы и среды внешний объект
всегда будет получать работу от рассматриваемой системы, т.е. ev всегда по-
ложительна и изменяется от 0 до оо. 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 -> О, 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 ev.
Эксергия вещества 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 О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 2
Пример 2.1. В аппарате происходит процесс в жидкой среде при температуре
75 °C. Емкость аппарата 5 л/3. Аппарат на 40% заполнен воздухом. Рассчитать эк-
сергию воздуха, если процесс происходит при давлении: 10 кПа; 100 кПа; 1000 кПа.
Температуру окружающей среды принять t()C = 20 °C; давление рж = 100 кПа.
Решение. При температуре 75 °C воздух можно считать идеальным газом,
газовая постоянная которого R = 0,287 кДж/(кг-К) (см. прил. 10). Из уравнения
(1.3) удельный объем газа v = RT/p, где Ti -- Т2 = Т3 = 273 + 75 = 348 К; pi =
= ЮкПа; р2 = ЮОкПа; р3 = 1000кПа, тогда vi = 287-348/(10-1000) = 9,988м3/кг;
v2 = 0,999м3/кг; v3 = 0,100м3/кг. = 273 + 20 = 293К; Рос = ЮОкПа, i?oc =
= 0,841 м3/кг.
Объем воздуха в аппарате V = 5 • 0,4 = 2 м3.
Масса воздуха, заполняющего аппарат т = V/v, тогда пц = 2/9,988 =
= 0,200 кг; т2 = 2,002 кг; т3 = 20,000 кг.
При 75 °C изохорная теплоемкость воздуха cv = 0,7201 кДж/(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)
ev = cv(T - Toe) - Toe cvln —+ Я1п— +Poc(v - Vqc),
+ 100(9,988 - 0,841) = 709,9 кДж/кг,
e„2 = 4,63 кДж/кг,
е„з = 108,3 кДж/кг.
Эксергия всей массы воздуха, находящегося в аппарате, рассчитывается по
уравнению (2.10):
Ev = те,
Evi = 0,200 • 709,9 = 142,0 кДж,
Ev2 = 2,002 • 4,63 = 9,3 кДж,
Ev3 = 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
Ev3 » Evi. 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 4- 51
Пример 2.2. По условию предыдущей задачи рассчитать эксергию воздуха в аппа-
рате, если давление в нем ХШкПа, а температура -35 °C.
Решение. Абсолютная температура воздуха Т = 273 - 35 = 238 К. Из уравне-
ния (1.3) удельный объем воздуха v = 287 • 238/(100 • 103) = 0,683 м3/кг. Масса
воздуха в аппарате т = V/v = 2/0,683 = 2,928 кг. При температуре воздуха -35 °C
изохорная теплоемкость cv = 0,7149 кДж/кг (см. прил. 9).
Аналогично примеру 2.1:
ev = 0,7149(238 - 293) - 293
+ 100(0,683 - 0,841) = 5,93 кДж/кг
Е„ = 2,928 • 5,93 = 17,36 кДж
Эксергия системы осталась положительной.
В примере 2.2 в случае р = рОс = 100 кПа и разнице температур Т -
- Тос = (273 - 35) - (273 + 20) = -55 К, удельная эксергия ev = 5,93 кДж/кг.
В примере 2.1 в случае р = рос = 100 кПа и разнице температур Т - Тж = (273 +
+ 75) - (273 + 20) = 55 К, удельная эксергия е„2 = 4,63 кДж/кг. Таким образом,
на охлаждение единицы массы вещества тратится больше эксергии, чем 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 термомеханическую составляющую эксергии установившегося
потока с параметрами и, h, v, s, Т, р. Параметры, характеризующие состоя-
ние равновесия потока с окружающей средой, Uoc, Лос, «ос, sqc, Гос, Рос- Для
определения эксергии вещества в потоке требуется найти максимальную работу
при переходе его из данного состояния в состояние равновесия с окружающей
средой.
Функция эксергии потока е отличается от функции эксергии вещества
в замкнутом объеме ev количеством работы, связанной с перемещением потока
вещества. Эта работа определяется по уравнению (1.7) после его интегрирова-
ния от р до рос при v = const:
ГР = +v(p - рос),
тогда удельная эксергия потока вещества равна:
е = U - Uoc - 7oc(s - Soc) + Рос(« - «ос) + «(р - Рос),
е = и - Uoc - Toc(s - Soc) +pv - Рос «ОС-
Учитывая, что и + pv = h, получаем:
e = h - hoc - Toc(s - Soc) (2.12)
52 < ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава 2
или в дифференциальной форме:
de — dh -Гос ds.
Для всего потока вещества при его расходе т:
Е = те. (2.13)
При расчетах, связанных с определением разности величин е при переходе из
состояния 1 в состояние 2
в2 — 61 = /l2 — hl — Тос($2 — 51) (2.14)
или
Де = Д/i - ТосА$. (2.15)
Для всего потока вещества:
ДЕ = тДе. (2.16)
Функция е (так же как и ev) является функцией состояния рабочего тела,
поскольку ее величина однозначно определяется параметрами вещества, если
параметры окружающей среды заданы.
Эксергия потока вещества используется при анализе процессов в непре-
рывнодействующих аппаратах.
Эксергия потока вещества 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 [3].
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
6 — Ср(Т — Гос) — Тос
Г р '
с» In —---Я In —
. Р Гос PocJ
Для изотермного потока идеального газа, когда Т =
е = Toc-Rln
Рос
(2.17)
(2.18)
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 Ф 53
2.2.3. Диаграммы эксергии вещества в потоке
Для наиболее распространенных в технике веществ имеются диаграммы
с готовыми значениями эксергии. В зависимости от параметров, откладывае-
мых по осям координат, составляют самые разнообразные диаграммы, напри-
мер, Т - е; р- е; е - s; е - h; е, s - h и др. Точка нулевого состояния — начало от-
счета величины е, определяется параметрами Гос и рос (точка ОС на рисунках).
В зависимости от вещества эта точка может находиться в области газообразного
состояния, причем как ниже, так и выше критической температуры Тк, а также
в области жидкого состояния. На рис. 2-3 показаны в координатах T-s возмож-
ные места расположения точки ОС. Состояние рис. 2-За характерно для возду-
ха, азота, кислорода, гелия и др. газов, когда Тк < Тос. Для пропана, бутана и др.
Тк > Тос, однако при Гос и рос вещество находится в газообразном состоянии —
рис. 2-36. Жидкое состояние при Тос и рос имеют вода, ртуть, четыреххлористый
углерод и др., для них нормальная температура кипения (при pg = рос) Тнтк > Тос
(рис.2-3в). Возможно состояние, когда Тнтк = Тос, тогда точка нулевого состоя-
ния вытягивается в линию ОС—ОС, 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-Зг).
На практике для случая Тос > Тнтк на диаграммах берут точку начала отсчета
по Гос и Рос (рис. 2-За и 2-3d). В случае Ттк > Гос для удобства построения
диаграммы в качестве начала отсчета выбирают давление насыщения р3 при Тос-
Рис. 2-3. Расположение точек ОС нулевого состояния при рос и Тос для различных веществ
в координатах T-s.
54 О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава 2
Рис. 2-4. Схемы h-s диаграмм с нанесенными на них линиями е = const: а - при Гос > Т™;
б — При Гос — Тнтк.
Эксергетический метод термодинамического анализа 4- 55
Рис. 2-5. Схема е - h диаграммы.
Тогда случай, изображенный на рис. 2-Зв, сводится к случаю, изображенному
на рис. 2-Зг, при этом рос = Ps ДЛЯ Тос.
Вода — наиболее распространенное рабочее тело, как раз и относится к слу-
чаю, изображенному на рис. 2-Зв и 2-Зг. В окружающей среде вода существует
в виде жидкости при Тос = 293 К и рос = 100 кПа, а также в виде пара в атмо-
сферном воздухе, когда при ТОс = 293 К давление насыщения паров воды ps =
= 2,337 кПа. На диаграммах для воды точку начала отсчета эксергии принимают
при Тос и давлении р = 2,337 кПа (17,53 мм рт. ст.). Эксергии жидкой воды при
Гос и давлениях 100 кПа и 2,337 кПа 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 h-s нанести линии е = const, то они будут представлять
собой семейство параллельных прямых, касательных к изобарам в точке их
пересечения с изотермой Тос. На рис. 2-4 показаны схемы таких диаграмм
для случаев ТОс > ^нтк (рис. 2-4а) и Тос = Тнтк (рис. 2-45). Выше линии е =
= 0 расположены области положительных значений эксергии е > 0, ниже —
отрицательных е < 0.
Наиболее распространенная диаграмма е - h представляет собой косоуголь-
ную модификацию h - s диаграммы, где ось энтропии наклонена влево от
вертикали на угол, при котором прямая окружающей среды, а следовательно,
и все прямые е = const располагаются горизонтально. Схемы расположения
координатных осей е - h диаграммы показаны на рис. 2-5.
В зависимости от физических свойств вещества расположение его диаграм-
мы в координатах е - h выглядит различно. На рис. 2-6 показаны внешние
виды диаграмм для двух вышерассмотренных случаев: рис. 2-6а для веществ
аналогичных воздуху, когда Тос > Тнтк\ рис. 2-65 — аналогичных воде (аммиак,
большинство фреонов И др.), когда ГНТк Тос.
Диаграмма е - h позволяет определить для любого состояния вещества
составляющие эксергии потока, связанные с разностью как давлений (ер), так
и температур (ет) по отношению к окружающей среде. Нужное для опреде-
ления составляющих ер и ет построение показано на рис. 2-7. Например, для
56 О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава 2
Рис. 2-6. Виды e-h диаграмм веществ с различными значениями Тнтк: а - при Тос > Т™;
б — При Тос Тнтк.
Эксергетический метод термодинамического анализа Ф- 57
Рис. 2-7. Графическое определение составляющих эксергии ер и ет-
точки 1 величина ею будет равна разности ординат точек 1 и 2, получаемой
в процессе изменения температуры от Т\ до при постоянном давлении pi;
величина eip равна разности ординат точек 2 и ОС, получаемой в процессе
изменения давления от /л до рос при постоянной температуре Гос.
Все состояния, соответствующие прямой ab, имеют одинаковую эксергию
еь 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 ер и ет- одна составляющая
эксергии, связанная с Др = р - рос, преобразуется в другую, связанную с АТ =
= Т - Тос, или наоборот. В частности в точке 3 величина е3т = 0 и е3 = ei = е3р.
В точке 4, напротив, е4р = 0, = ei = ею-
При переходе из состояния 7, например, в состояние 5, максимальная
работа, которая может быть получена от системы, равна разности е5 - еь а для
перевода системы из состояния 5 в состояние 7 необходимо затратить работу,
минимально равную разности ei - е5. В реальных процессах необходимо учесть
потери эксергии.
Из диаграммы легко видеть, что всегда ет > 0; ер > 0 при р > рос, ер < 0 при
р < рос- Например для точки 7 значение е7 = етт - е7р < 0.
Процессы преобразования одной составляющей эксергии в другую в по-
токе рабочего тела широко 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 eip одного потока
возрастает е2р другого потока при соответствующем изменении ет- Примерами
второго процесса являются процессы дросселирования, а также расширения
с отдачей внешней работы, используемые в низкотемпературной технике, когда
58 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ 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 ре различных процессов.
Диаграммы e-h строятся для фиксированного значения Гос- При изменении
Тос в значение е вносится поправка, рассчитываемая на основании формулы
(2.12), эта поправка линейно зависит от s. Иногда поправочные прямые нано-
сят на диаграмму e-h. Подробно этот материал изложен в книге [3].
В приложениях 13—17 даны е—h диаграммы воды, воздуха, аммиака, диок-
сида углерода, фреона R - 12.
Пример 2.3. Рассчитать удельные потери эксергии при дросселировании насыщен-
ного водяного пара от давления pi = 1 МПа до давления р? = 300 кПа.
Решение. Насыщенный водяной пар давлением р\ = 1 МПа имеет удельную
энтальпию Л1 = 2777,0 кДж/кг и удельную энтропию si = 6,585 кДж/(кг-К)
(см. прил. 2).
После дросселирования удельная энтальпия пара h2 = = 2777,0 кДж/кг,
а давление р2 = 300 кПа, при этих параметрах удельная энтропия пара з2 =
= 7,110 кДж/(кг-К) (см. прил. 5 и пример 1.19).
При рос = ЮОкПа и toe = 20°C: hoc = 84,0кДж/кг, Зое = 0,296кДж/(кг-К)
(см. прил. 3).
Удельные эксергии потока пара до дросселирования ех и после дроссели-
рования е2 рассчитываются по уравнению (2.12)
ei = (2777,0 - 84,0) - (273 + 20) • (6,585 - 0,296) = 850,3 кДж/кг.
е2 = (2777,0 - 84,0) - (273 4- 20) • (7,110 - 0,296) = 696,5 кДж/кг.
Значение величин ei и е2 можно найти на е - h диаграмме воды и водяного
пара (см. прил. 13) Изменение эксергии при дросселировании, когда ДЛ = О,
никак не используется, следовательно теряется:
d = Де = е2 - ei = 696,5 - 850,3 = -153,8 кДж/кг,
что составляет . „
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 вещества необходимо
учитывать в тех случаях, когда в самом потоке или при его взаимодействии
Эксергетический метод термодинамического анализа 4- 59
с окружающей средой происходят процессы разделения смесей или смешения.
Например в процессах смешения реагентов, растворения, перегонки, выпари-
вания, сушки, кристаллизации, экстракции и т.д.
Коцентрационная эксергия потока вещества определяется максимальной ра-
ботой, которая может быть получена при рос и Тос 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 Рос и Тос из исходной смеси.
Это положение относится как к твердым растворам, так и к жидким и га-
зообразным. Таким образом, подсчет концентрационной эксергии связан не
с температурой и давлением веществ, а только с их составом. При этом химиче-
ские соединения рассматриваются как индивидуальные вещества, находящиеся
в растворе при определенной концентрации.
В общем случае, концентрационная эксергия ес 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 G продукта
по отношению к исходной смеси.
вс = £(ВД - <№) - Тж £(^' - Gs'O, (2.19)
где - G/i'jCj) — разность мольных энтальпий компонентов смеси после
изменения концентрации (т.е. в полученном продукте) и до изменения их
концентрации (т.е. в исходной смеси); £(s"£" _ ~ соответствующая
разность энтропий; и — мольные концентрации каждого i компонента
в продукте и в исходной смеси; £ — мольная доля продукта по отношению
к исходной смеси.
Поскольку обратимый процесс, к которому относится формула (2.19), про-
текает при условии Тос = const, рос = const, величина ес 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 окружающей среды Т" = Т' = Тос = const. Процесс
выделения из потока исходного воздуха чистого газа представляет собой изо-
термическое сжатие при Тос- Эксергия теплоты такого процесса равна нулю,
т.е. первое слагаемое уравнения (2.19) равно нулю, тогда концентрационная
эксергия любого компонента
Cci — Toc^Si £i$i) = ТосДз,.
Давление исходного потока и давление каждого компонента после извле-
чения его из смеси равно давлению окружающей среды р" = рж. Давление
60 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 2
каждого компонента в исходном потоке пропорционально его мольной кон-
центрации p'i = Poc^i, тогда р<7р< = 1/&.
Для идеальных газов при Т = const (см. формулу (1.48)
р"
&Si = -Riln^r.
Pi
В результате получаем:
eci = Tocsin ± (2.20)
Si
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 Тж и рж.
Эксергетический метод термодинамического анализа 61
Для проведения реакции девальвации часто необходимы дополнительные
вещества (одно или несколько), реакционную эксергию которых необходимо
также учитывать.
Пусть необходимо определить реакционную эксергию вещества А; В —
дополнительное вещество; С — вещество отсчета, содержащееся в окружающей
среде. Реакция девальвации:
аА + 6В = сС,
где а, Ь, с — стехиометрические отношения.
Реакционная эксергия вещества А
егд = — ДС?а - егв, (2.21)
где AGa — стандартный изобарно-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 эксергетическом анализе нулю равны реакционные эксергии веществ
окружающей среды.
2.2.6. Химическая эксергия элементов и соединений.
Изменение химической эксергии при химических
превращениях
Химическая эксергия вхим включает в себя реакционную составляющую ег
и концентрационную составляющую ес, если вещество отсчета растворено до
определенной концентрации в окружающей среде:
вхим =ег + ес. (2.22)
В таблице приложения 18 представлены значения химической эксергии эле-
ментов, рассчитанные относительно веществ отсчета. Элементы группы Y на
практике получают из девальвированных веществ. Эксергия таких элементов
равна обратимой минимальной работе их извлечения из девальвированного
вещества. Элементы группы Z на практике получают только из ценного (неде-
вальвированного) сырья. Эксергия этих элементов равна получаемой макси-
мальной работе при их обратимой девальвации.
Используя данные таблицы 18, можно провести расчет химической эксер-
гии веществ. Например для сложного вещества Ад ВьСс, где А, В, С — элементы;
о, Ь, с — стехиометрические коэффициенты, расчет ведется по уравнению:
ехим(АаВ{,Сс) = -AG + аед + £>ец + еес, (2.23)
где AG — свободная энергия образования вещества АаВ6Сс, при давлении рос
и температуре Тос; ед, ев, ес — эксергии соответствующих элементов.
62 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О 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 окружающую среду должны
входить те вещества отсчета, до которых могут девальвироваться участвующие
в данном процессе элементы, а также те девальвированные вещества, из ко-
торых получают рассматриваемые элементы. Например, если очищенную вод\
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 неорганически*
веществ. Значения химической энергии и эксергии большого числа неоргани-
ческих веществ (более 2000) и органических (около 1300) веществ приведены
в книге [33].
Подробно методика расчета химической эксергии дана в книгах [3, 33, 45].
Для химической реакции
qA -Ь 6В -+-... = сС И- c/D 4-...
изменение химической эксергии составит:
Д-Е'хим — (С-Ё’хим.С 4" 4" • ••) ~ (о^хим.А 4" ^^хим.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
ДЕХИМ = — [сДС‘с 4" rfAGp 4-....] 4- [аДвд 4- ЬДвв 4- . • •]
ДЯхим = - £ ДСвых + 52 <2-241
Энергия Гиббса (энергия образования) для каждого вещества, участвующего
в реакции:
ДО = ДЯ - ТосД5,
где ДЯ —изменение энтальпии при образовании вещества; Д5 — изменение
энтропии при образовании вещества.
Тогда
дяхим= :(дя)вх—:(дя)вых]—Тос 52 Д^вх Д5вых] 5
ДЯхиМ = Q — Тос J : Д^ВХ — Д^вых] 1 (2.25)
где Q — тепловой эффект химической реакции. В ориентировочных расчетах
МОЖНО Принимать ДЯхим = Q-
Пример 2.4. Рассчитать химическую эксергию NH ОН.
Решение. Д<7мн4он = -254306кДж/кмоль [49], значение химической эксер-
гии азота, водорода и кислорода берутся из таблицы приложения 18.
Двхим = -254306 + 335 + 5 • 117697 + 1968 = 336482 кДж/кмоль.
Эксергетический метод термодинамического анализа 4- 63
Пример 2.5. Рассчитать химическую эксергию РЬО?.
Решение. Решение делается по уравнению (2.23).
вхим(РЬО2) = ДО + ерь + 2ео
AG = -217504 кДж/кмоль [49], значения химической эксергии свинца и кис-
лорода берутся из таблицы приложения 18.
ехим(РЬО2) = -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 РЬСОз, как это сделано в таблице приложения 18, а более девальвиро-
ванное вещество РЬО2, т.е. следует считать ехиМ(РЬО2) = 0. При этом эксергия
свинца относительно РЬО2 составит
Схим(РЬ) = - ДС - 2ео = 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 ед = q - Toc(s2 - si), изоб-
ражена заштрихованной площадью. Площадь
под линией Тос = const равна произведению
Toc(s2-si) и представляет собой часть теплоты,
которую невозможно использовать для практи-
ческих целей.
В дифференциальном виде:
6еч = 6q — Tqc ds, (2.26)
Рис. 2-8. Графическая интерпре-
тация эксергии теплоты.
в свою очередь ds = 6q/T, тогда
<5eg = 6q f 1 -
jQTe.
(2.27)
Величина те называется эксергетической температурной функцией:
Тос Т — Тос
Те = !- — =
(2.28)
Для всего процесса
ея
Эксергетическая температурная функция представляет собой термодинами-
ческий КПД цикла Карно, в котором холодным источником теплоты является
окружающая среда (см. раздел 4.3).
64 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 2
В частном случае при Т = const, т.е. при те = const, удельная эксергия
теплового потока:
е, = qre.
(2.29)
Для всего теплового потока Q
Eq = Qre.
(2.30)
Величина те представляет собой функцию состояния системы и окружающей
среды. Величина eq не является параметром состояния, так как зависит от пути
процесса, так же как и величина q.
Зависимость те от Т представляет собой гиперболу, изображенную на
рис. 2-9. Эта гипербола пересекает ось абцисс в точке Т = Тж. При Т -> ос
Рис. 2-9. Зависимость эксергетической
температурной функции те от темпера-
туры Т.
значение те -> 1; при Т -> 0 значение
те -> -оо. Таким образом, те 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 Т -> ос
можно рассматривать как поток высокока-
чественной энергии, равносильной работе
(это и естественно, так как при Т -> оо его
энтропия стремится к нулю).
Большая зона отрицательных значений
те соответствует относительно небольшому
интервалу температур от Тж до Т -> 0. Та-
кая зависимость те от Т отражает более высокую энергетическую ценность
теплового потока почти во всей зоне низких температур по сравнению с таким
же потоком при высоких температурах.
Изменение знака те при переходе через Гос приводит и к соответствую-
щему изменению знака эксергии теплового потока. При Т > Тос знаки eq
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 1\ > Т2 > Т3, Т3 = Тж количество теплоты q равно общей
площади каждого прямоугольника и при разных температурах одинаково qi =
= 92 = 9з! эксергия теплоты показана заштрихованной площадью elq > e2q >
> е3,, e3q = 0. На рис. 2-105 при Т3 <Т2 <Т\ < 7'ос количество теплоты q равно
Эксергетический метод термодинамического анализа 4- 65
Рис. 2-10. Связь величин q и е, при разных значениях Т: а - в области Т > Тж; б - в
области Т < Тос.
незаштрихованной площади каждого прямоугольника и также одинаково для
всех трех рассматриваемых температур qi = q-2 = q:t- Эксергия теплоты показана
заштрихованной площадью, но eiq < e2q < e3q. В пределе при Т -> 0 величины
As и eq в соответствии с рисунками 2-9 и 2-10 должны были бы стремить-
ся к бесконечности. Однако такое графическое построение недопустимо при
Т -э 0, поскольку по закону Нернста при этих условиях s = 0 и ось абцисс
стянется в точку. По этой же причине при Т -> 0 формулы (2.26) и (2.27)
неприменимы. Это ограничение следует из закона Нернста, согласно которому
величина ds, входящая в формуле (2.26) в величину 5q = Tds, при Т -> 0
становится равной нулю.
Влияние изменения температуры окружающей среды на eq тем больше, чем
ближе значение Т к Тос- Однако в расчетах, где используется разность величин
Дте (например при анализе теплообменников), в большинстве случаев можно
пренебречь даже значительными изменениями Тос, так как значения ошибок
у обеих величин те практически одинаковы и имеют один знак.
3-4675
66 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4- Глава 2
В случае передачи теплоты при постоянном давлении (в изобарном процессе)
согласно уравнению (1.16): qp = ДЛ, тогда
(eg)p ~ QpTe — Ah — — ДЛ — ДЛ— — ДЛ Яр у, —
= ДЛ — Дз • Тос = Ае,
(eq)p = Аер, (2.31)
т.е. изменение эксергии потока рабочего тела в изобарном процессе равно
эксергии eq связанного с этим процессом теплового потока.
Следовательно, во всех процессах теплообмена, протекающих при посто-
янном давлении, эксергию теплового потока можно вычислить по разности
эксергий потока вещества до и после изменения температуры потока вещества.
Это значительно упрощает расчеты при переменных температурах.
Пример 2.6. Сравнить эксергии 1 МДж теплоты, передаваемой при температурах
+20 °C, -80 °C, +120 °C, +1020 °C.
Решение. Эксергия Eq теплоты Q рассчитывается по формулам (2.30) и
(2.28). Примем температуру окружающей среды Тос = 293 К, тогда
при +20 °C
при -80 °C
при +120 °C
при +1020 °C
Eq = 0;
Eq = 1- 24 S 1 - »J =-0,518 МДж; 273 —80 J ’
293 1
Eq = 1- 1 “ ™_ = +0,254 МДж; 273+ 120J ’
293 1 .
Eq = 1 • 1- ——77^ =+0,773 МДж.
273 + 1020
Таким образом, для того чтобы передать 1 МДж теплоты с температурного
уровня +20°C на уровень -80°C, т.е. при АТ = 193 - 293 = -100К необхо-
димо затратить, как минимум, работу равную 0,518 МДж; при температуре на
100 К выше, чем Тос, от 1 МДж теплоты можно получить максимальную работу
0,254 МДж; если же температура использования 1 МДж теплоты на 1000 К выше
Тос, 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
(2.32)
В обоих случаях эксергия потока излучения (эксергия излучения) еи опреде-
ляет максимальную работу, которая может быть выполнена во время обратимо-
го процесса приведения этого излучения в состояние равновесия с окружающей
средой (при Тос).
Для излучения абсолютного черного тела с температурой Т эксергия излу-
чения, отнесенная к единице поверхности, равна
_ ЗТ4 + Т£ - 47’0С7’3
где х — коэффициент теплового излучения поверхности (степень черноты из-
лучающей поверхности); Со — постоянная Стефана—Больцмана. Анализ урав-
нения (2.32) показывает, что еи = 0 при Т = Тос и возрастает при отклонении
Г от Тос в сторону как высоких, так и низких температур, сохраняя при этом
положительное значение.
Энергия и эксергия излучения всегда различны по величине, за исключе-
нием одной точки, соответствующей температуре Т = 0,63Тос. При Т > 0,63Тос
эксергия излучения меньше его энергии, а при Т < 0,63Тос эксергия излучения
больше его энергии. Это следует учитывать при расчете КПД установок, ра-
ботающих от солнечной радиации, в данном случае энергический КПД часто
оказывается большим, чем эксергетический.
2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ
С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ
Различные случаи преобразования энергии вещества в процессах химиче-
ской технологии могут быть разделены на 4 группы:
I) сжатие и расширение газов и жидкостей;
2) теплообмен от одного рабочего тела к другому;
3) смешение и разделение веществ, происходящие без образования новых
веществ;
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 концентра-
ционная ес 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 ер, еТ участвует и ес; исключается из
рассмотрения, как транзитная, только ег.
68 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ 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 кни-
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 давленияхрг и Рх- Массовые расходы теплоносите-
лей обозначены как тг и пгх. Если давления постоянны, то, согласно формуле
(1.16), Qr = mr(hr2 - /iri); Qx = mx(hX2 - hxi), где индекс 2 указывает на конечное
состояние потока теплоносителя, индекс i — на начальное.
При отсутствии тепловых потерь тепловой баланс Qr + Qx = О,
пгг(Лг2 - ЛГ1) + тх(Лх2 - Лх1) = 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
АЕГ = ЕГ2 ~ ЕГ1 = Шг[(/1г2 — /»rl) ~ Е0С(зГ2 — Sri)].
Для потока холодного теплоносителя
ДЕХ = ЕХ2 ~ Exi = тх[(ЛХ2 ~ /ixi) — 2ос(®х2 — Sxi)].
Суммарное изменение эксергии термодинамической системы (потоков ве-
ществ в теплообменнике)
ДЕ = ДЕГ + ДЕХ =
= [тг(Лг2 - ЛГ1) + mx(ftX2 - Лх1)] -
— T'ocmr(sr2 — sri) — Tocmx(sX2 ~ ®xi)
Выражение в квадратных скобках равно нулю (согласно формуле (2.33)) тогда
22 ЛЯ = -Гос(Д5г + Д5Х) = D, (2.34)
ГДе Д$г = Шг(вг2 — Sri); Д$е = >Tlx(Sx2 ~ ®Х1)-
Эксергетический метод термодинамического анализа 4- 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 как Тг > Тх.
Чем больше разница температур горячего и холодного теплоносителей, тем
больше потери эксергии, так как dSr = -dQr/Tr; dSx = dQx/Tx, -dQr = dQx =
= dQ; dSr + dSx = dQ(l/Tx - 1/Tr) > 0.
Следовательно, необходимо избегать «перекосов» температур на концах
поверхности теплообменника, т. е. не следует незначительно нагревать большие
массы холодных веществ небольшим количеством горячего теплоносителя.
Эксергетический КПД теплообменного аппарата
Этот КПД всегда меньше единицы, в отличие от теплового КПД, который
при любых значениях Тг и Тх практически равен единице для хорошо теплоизо-
лированных аппаратов, когда потерями теплоты в окружающую среду можно
пренебречь (см. пример 2.7).
Если процесс теплообмена протекает при ТГ = const и Тх = const, то
эксергии потоков отдаваемой и получаемой теплоты могут быть рассчитаны
по уравнению (2.30):
и
так как -Qr = Qx = Q, то
Т€Г
где те рассчитываются по формуле (2.28).
Например, если Тх = 100 + 273 = 373 К, Тг — 130 + 273 = 403 К, то т?е = 78%;
если Тх = 373 К, Тг = 1273 К, то % = 28%.
АЕГ — EQr — QrTer
Д-Е'х — ^Qx — Qx^exi
ЛЕХ тех
% = -ГТГ = ---
(2.36)
2.3.2. Смешение и разделение веществ
В химической технологии смешение применяется для приготовления
эмульсий, суспензий, пен, аэрозолей, гомогенных растворов, смесей твердых
веществ 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 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава2
Рассмотрим адиабатные процессы смешения (разделения).
В любом случае при смешении веществ в постоянном объеме, в потоке,
при заполнении объема масса получаемой смеси, согласно закону сохранена
массы, равна сумме масс смешиваемых веществ:
m = Ут,. (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>,
mv = У^ miVi,
где т и v — масса и удельный объем получаемой смеси; mi и v, — массы
и удельные объемы смешиваемых веществ.
Внутренняя энергия смеси равна сумме внутренних энергий смешиваемых
веществ:
Это выражение является тепловым балансом процесса смешения в постоянном
объеме. Через удельные внутренние энергии щ и массы веществ mi оно запи-
сывается в виде:
ти = У^ rriiUi
Эксергетический баланс смешения указывает на необратимые потери при сме-
шении — эксергия полученной смеси меньше суммы эксергий смешиваемые
веществ:
Ev < У 2
Ev = У2 + D,
mev = У^ mievi -I- 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 = (2.38)
где m, mi — массовые расходы потоков веществ, кг/с
E = Y,Ei + 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 веществ
те = У /njCj + D.
Эксергетический метод термодинамического анализа ❖ 71
Следовательно, при смешении эксергия смеси всегда меньше суммы эксергий
смешиваемых потоков веществ.
Эксергетический КПД процесса смешения
Расчет эксергетических балансов процессов смешения дан в примерах 2.8 и 2.9,
эксергетические балансы процессов конвективной сушки, выпаривания, разде-
ления воздуха на компоненты даны в примерах 2.11 — 2.13.
Пример 2.7. В теплообменнике нагревается ХЪ^Окг/ч раствора за счет конден-
сации 200 кг]ч насыщенного водяного пара. Начальная температура раствора 25,
конечная 110°C, теплоемкость 3,31 кДж/(кг-К). Пар имеет давление 500кПа.
Определить потери эксергии в теплообменнике, считая, что тепловых и гид-
равлических потерь нет.
Решение. При конденсации насыщенного пара изменение энтальпии рас-
считывается по уравнению (1.24).
Для насыщенного водяного пара давлением 500 кПа (см. прил. 2):
ДЛ„ = -г = -2108,4 кДж/кг,
Дзп = s' - s" = 1,860 - 6,822 = -4,962 кДж/(кг-К),
где s' и s" — удельные энтропии воды и пара в состоянии насыщения.
Подставляем значения величин в уравнение (2.15):
Деп = -2108,4 - 293(—4,962) = -654,5 кДж/кг.
Общее изменение эксергии пара согласно уравнению (2.16):
ДЕП = 200 • (-654,5) = -1,31 • 105 кДж/ч = -36,4 кВт.
Раствор нагревается при постоянном давлении. Для изобарного процесса из-
менение энтальпии раствора рассчитывается по уравнению (1.45):
ДЛр = 3,31 • (ПО - 25) = 281,35 кДж/кг,
По уравнению (1.18) при постоянном давлении изменение энтропии раствора:
273 + 110
Дзр = 3,31 • In " = 0,831 кДжДкг-К).
Z( о । ZO
Подставляем значения величин в уравнение (2.15):
Дер = 281,35 - 293 • 0,831 = 37,9 кДж/кг.
Общее изменение эксергии раствора по уравнению (2.16):
ДЕР = 1500 • 37,9 = 0,57 • 105 кДж/ч = 15,8 кВт.
Суммарное изменение эксергии системы является, согласно уравнениям (2.33)
и (2.34), эксергетическими потерями:
Р = ^2 ДЕ = ДЕП + ДЕр,
D = -36,4 + 15,8 = -20,6 кВт.
72 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА -О Глава2
Знак минус указывает на потери эксергии. Эксергетический КПД системы
при передаче эксергии от горячего потока пара к холодному потоку раствора
рассчитывается по уравнению (2.35):
1 - —V —V Л л, Л /
Ъ = 5^7 ‘100 = 43’4%
оо,4
Потери эксергии возникают только из-за необратимости теплообмена при ко-
нечной разности температур между теплоносителями (тепловых и гидравличе-
ских потерь нет).
Пример 2.8. Для получения горячей воды давлением 200 кПа смешивается 850кг1>.
насыщенного водяного пара давлением 500 кПа и 8200 кг/ч холодной воды с тем-
пературой 10 °C и давлением 300 кПа. Определить параметры получаемой горя-
чей воды. Рассчитать потери эксергии при смешении. Температура окружаю-
щей среды 20 °C.
Решение. Поток насыщенного водяного пара при давлении pi = 500 кПа
имеет температуру ti = 151,85 °C, удельную энтальпию /и = 274,5 кДж/кг.
удельную энтропию si = 6,82кДж/(кг- К) (прил. 2).
Поток холодной воды при р2 = 300 кПа и температуре h = 10°С
имеет удельную энтальпию Л2 = 42,3 кДж/кг, удельную энтропию з2 -
= 0,151 кДж/(кг-К) (прил. 3).
Материальный баланс смешения рассчитывается по уравнению (2.37): мае
са горячей воды m равна сумме масс смешиваемых пара mi и холодной водь
т2
т = 850 + 8200 = 9050 кг/ч.
Тепловой баланс процесса смешения потоков рассчитывается по уравнении
(2.38):
mh = m\hi 4- m2/i2>
отсюда удельная энтальпия горячей воды
himi + Л2т2
п =---------------,
т
, 2748,5-850 + 42,3-8200 п .
h = ---------9050-------= 296кДж/К1-
При давлении горячей воды р = 200 кПа и удельной энтальпии h -
= 296 кДж/кг ее температура t = 70 °C, удельная энтропия з = 0,95 кДж/(кг • К
(см. прил. 3).
При параметрах окружающей среды, т.е. при Тос — 293 и рос = ЮОкПа
энтальпия воды hoc = 84,0 кДж/кг, энтропия воды «ос = 0,296 кДж/(кг • К
(см. прил. 3).
Эксергии потока пара, холодной и горячей воды рассчитываются по урав-
нениям (2.12) и (2.13):
Ei = 850 • [(2748,5 - 84,0) - (273 + 20) • (6,820 - 0,296)] =
= 6,4 • 105 кДж/ч = 177,8 кВт.
Эксергетический метод термодинамического анализа 4- 73
Рис. 2-11. Изображение процессов, происходящих в редукционно-охладительном устрой-
стве в h - s координатах (к примеру 2.9).
Е2 = 8200 • [(42,3 - 84,0) - (273 + 20) • (0,151 - 0,296)] =
= 6,4 • 103 кДж/ч = 1,8 кВт.
Е = 9050 • [(296,0 - 84,0) - (273 + 20) • (0,95 - 0,296)] =
= 1,8 • 105 кДж/ч = 51,2 кВт.
Потери эксергии при смешении рассчитываются по уравнению (2.39):
D = Е — (Ei 4" Eli)
D = 51,2 - (177,8 + 1,8) = -128,4 кВт.
Эксергетический КПД процесса смешения рассчитывается по уравнению
(2.40):
Пример 2.9. Рассчитать, какое количество свежего пара давлением 1 МПа и тем-
пературой 350 °C и какое количество холодной воды давлением 300 кПа и темпе-
ратурой 15 °C надо подавать на редукционно-охладительное устройство (РОУ),
чтобы получать Зт/ч пара давлением 300 кПа с температурой на 0К выше
температуры насыщения. Рассчитать потери эксергии в РОУ, в том числе
при дросселировании и при смешении. (Условное обозначение РОУ и его описание
даны в гл. 5 рис. 5-11)
Решение. Для свежего пара при давлении рп = 1 МПа и температуре tn =
= 350°С его энтальпия hn = 3157,7кДж/кг, энтропия зп = 7,30кДж/(кг-К)
(точка 1 на рис. 2-11 и прил. 3).
Для получаемого пара при давлении р = 300 кПа его температура насыще-
ния ts = 133,54 °C (прил. 2), следовательно, при перегреве на 6 К температура
получаемого пара t = 133,54 + 6 = 139,54 = 140 °C. При этой температуре и дав-
лении р = 300 кПа энтальпия получаемого пара h = 2739,6 кДж/кг, энтропия
з = 7,03 кДж/(кг-К) (точка 4 на рис. 2-11 и прил. 3).
74 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 2
Для холодной воды tx = 15 °C, рх = 300 кПа, Лх = 63,2 кДж/кг, зх =
= 0,22кДж/(кг-К) (точка 3 на рис. 2-11 и прилож. 3).
При параметрах окружающей среды, т.е. при Тос = 293К и рос = ЮОкПа,
энтальпия воды Лос = 84,0 кДж/кг, энтропия воды вое = 0,296 кДж/(кг-К)
(см. прил. 3).
Расход холодной воды находится при совместном решении уравнений
(2.37) и (2.38):
hji h
тх = т------
где т — расход пара, выходящего из РОУ, т = 3000 кг/ч = 0,833 кг/с.
3157,7-2739,6 ,
тпх — 0,833 • —0,113 кг/с.
о!о7,7 — oo,z
Расход свежего пара давлением рп = 1 МПа
тп = т — тх = 0,833 — 0,113 = 0,720 кг/с.
Эксергии потоков рассчитываются по уравнениям (2.12) и (2.13).
Для свежего пара давлением 1 МПа:
Еп = 0,720 • [(3157,7 - 84,0) - 293(7,30 - 0,296)] = 735,5 кВт.
Для холодной воды:
Ех = 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 - (Еп + Ех),
D = 569,6 - (735,5 + 0,2) = -166,1 кВт.
Эксергетический КПД редукционно-охладительного устройства рассчитывает-
ся по уравнению (2.40)
Е
Ve~ Еп + Ех'
569,6
” 735,5 + 0,2 “ ’°
Потери эксергии в РОУ складываются из потерь эксергии при дросселиро-
вании пара (процесс 7—2) и при смешении потоков пара и воды (процесс 3—4,
2—4, рис. 2-11).
Дросселирование 7—2 происходит при hn = const от давления pn = 1 МПа
и температуры tn = 350 °C (точка 7, рис. 2-11) до давления р = 300 кПа (точ-
ка 2). После дросселирования температура пара t'n = 343 °C, энтропия s'n -
= 7,86 кДж/(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 -Ф 75
Потери эксергии при дросселировании пара:
Гдр = Е'п - Е„ = 617,4 - 735,5 = -118,1кВт,
что составляет (118,1/166,1) • 100 = 71% от общих потерь.
Потери эксергии при смешении составят 100 - 71 = 29%.
Пример 2.10. Рассчитать удельную эксергию потока влажного воздуха. Темпера-
тура t = 41 °C, влагосодержание X = 0,035 кг/кг, парциальное давление водяных
паров рп = 5,2 кПа.
Решение. Удельная эксергия влажного воздуха, отнесенная к 1кг сухого
воздуха является суммой эксергий сухого воздуха евз и водяного пара еп
Сц-х = евз + Хеп,
где X — влагосодержание воздуха, кг влаги на 1 кг сухого воздуха.
Слагаемые в этом уравнении могут быть рассчитаны по формуле (2.17) и
(2.12), тогда
С1+Х = Свз(£ ~ toe) ~ ТосСвЗ 1п я In F
-*ос Рос ~ Рп.ос
+ X [(/гп ~ tin.ос) — 7ос(зп ~ Зп.ос)],
где сю- теплоемкость воздуха при t = 41 °C, сю = 1,005 кДж/(кг-К)
(см. прилож. 9); Тж и рж — температура и давление окружающей
среды принимаются toe = 20 °C, Тос = 293 К, рос = 100 кПа; Т =
= 273 + 41 = 314 К; газовая постоянная воздуха R = 0,287 кДж/(кг-К)
(см. прил. 10); р — давление влажного воздуха в потоке, р = Рос =
= 100 кПа; рПОс — парциальное давление паров влаги в воздухе окру-
жающей среды; рп.ос = 1,7 кПа при относительной влажности воздуха
Рх = 75% и toe = 20 °C (см. диаграмму Рамзина); hn и зп — удельные
энтальпия и энтропия водяного пара в воздухе при t = 41 °C: hn =
= 2575,8 кДж/кг и зп = 8,239 кДж/(кг-К) (см. прил. 1); /in.oc и зПОс —
удельные энтальпия и энтропия водяного пара в воздухе в окружающей
среде при toe = 20 °C: Лп.ос = 2537,7 кДж/кг и зп.ос = 8,667 кДж/(кг-К)
(см. прил. 1).
ei + X = 1,005(41 - 20) - 293 • 1,005 • In - 0,287 • In +
+ 0,035[(2575,8 - 2537,7) - 293(8,239 - 8,667)] =
= 3,396 кДж/кг.
Пример 2.11. Рассчитать затраты эксергии в процессе конвективной сушки
влажного продукта. Сравнить тепловой и эксергетический балансы сушильной
установки.
Производительность сушилки по влажному продукту т„ = 0,24, по высу-
шенному тк = 0,020, по испаряемой влаге (воде) W = 0,004 кг/с. Теплоемкость
высушенного продукта ск = 1,324кДж/(кг-К). Температура продукта на входе
в сушилку v„ = 20 °C, во время сушки и на выходе из сушилки vK = 36,4 °C.
76 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 2
а
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 тгр.п = 0,007 кг/с при давле-
нии ргр.п = 200к/7а и теплопотерях Qnom = 1,37 кВт.
Расход сухого воздуха твз = 0,164 кг/с. Параметры исходного воздуха: темпе-
ратура h = 20 °C, влагосодержание Xi = 0,011 кг/кг, энтальпия hi = А&кДж/кг;
воздух нагревается в калорифере до tKaj, = ПО °C; параметры отработанного
воздуха после сушилки: ti = 41 °C, Xi = 0,035 кг/кг, hi = 133 кДж/кг.
Температура и давление окружающей среды Тж = 293 К, рос = 100 кПа. Поте-
рями эксергии вследствие гидравлического сопротивления установки пренебречь.
Решение. В сушильную установку (рис. 2-12) поступает исходный воздух
с теплотой Qi и эксергией Ei\ греющий пар с теплотой Qi и эксергией Ei,
влажный продукт с теплотой <?з и эксергией Е3.
Из сушильной установки отводятся: отработанный воздух с парами испа-
ренной влаги с теплотой Qi и эксергией Ед; высушенный продукт с теплотой
<?5 и эксергией Е$; конденсат греющего пара с теплотой Q6 и эксергией
теплопотери Q7 с эксергией Е7.
1. Тепловой баланс.
1.1. Приход теплоты.
Qi = ,
Qi =0,164-48 = 7,87 кВт,
Эксергетический метод термодинамического анализа 4- 77
Qi — ^гр.П^гр.п,
гДе fyp.n — 2706,9 кДж/кг — энтальпия греющего пара при ргр.п = 200 кПа
(см. прил. 2)
С?2 = 0,007 • 2706,9 = 18,95 кВт,
<Эз = mKcKvH + WcBvH,
где св = 4,19 кДж/(кг • К) — теплоемкость воды,
<Эз = 0,020 • 1,324 • 20 + 0,4 • 4,19 • 20 = 0,86 кВт
Суммарная теплота входящих в установку потоков:
Qbx = Qi + Qi + Q3,
<Эвх = 7,871 + 8,95 + 0,86 = 27,68 кВт.
1.2. Расход теплоты.
— Tn^hi^
Qt = 0,164 • 133 = 21,81 кВт,
Qb = rnKCKVK,
Q5 = 0,020 • 1,324 • 36,4 = 0,96 кВт,
Qe = Hirp.n/i}p.n,
где 1»^п = 504,7 кДж/кг — энтальпия конденсата греющего пара при ргр.п =
= 200 кПа (см. прил. 2).
<2б = 0,007 • 504,7 = 3,53 кВт,
Q? = QnOT = 1,37 кВт,
Суммарная теплота выходящих из установки потоков:
$2 Qвых — Qi + Qs + Qe + Qi
<2вых = 21,81 + 0,96 + 3,53 + 1,37 = 27,67 кВт,
EQex = 12 Qbux, что соответствует закону сохранения энергии, в данном случае
в виде теплоты.
Тепловая нагрузка сушилки
Q = Q2 — Qe = Q4 + Qe + Qi — Qi — Q3,
Q = 18,95 - 3,53 = 15,42 кВт.
1.3. Тепловой КПД сушилки.
г
' = ?
где г — удельная теплота испарения воды при температуре продукта при сушке,
при ик = 36,4 °C г = 2416,0 кДж/кг (см. прил. 1); q — удельный расход теплоты
в сушилке,
78 -Ф- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА -Ф- Глава 2
9 = = 3855,0 кДж/кг,
7?=ISoioo=62’7%-
ооЭО,и
Потери теплоты составляют Q7/Q = 1,37/15,42 • 100 = 8,9%.
2. Эксергический баланс.
2.1. Приход эксергии.
£?i = 0, так как воздух поступает в сушилку из окружающей среды.
Эксергия потока греющего пара рассчитывается по уравнениям (2.12) и
(2.13):
Е2 — 7Пгр.п[(^ф.п — ^ос) — ^ос(вф.п — -sJ>c)]->
гДе 5п>.п = 7,129 кДж/(кг-К) — энтропия греющего пара при ргр.„ = 200 кПа
(см. прил. 2); h'^ = 84,0 кДж/кг и4 = 0,296 кДж/(кг-К) — энтальпия и энтро-
пия воды при параметрах окружающей среды (см. прил. 3).
Е2 = 0,007[(2706,9 - 84,0) - 293(7,129 - 0,296)] = 4,35 кВт.
Е3 = 0, так как в сушилке не происходит химических превращений vH = toe-
Суммарная эксергия входящих в установку потоков:
Евх = Ei + Е2 + Е3,
52 Евх = 0 + 4,35 + 0 = 4,35 кВт.
2.2. Расход эксергии.
Е4 — тпдзе^,
где е4 — удельная эксергия отработанного воздуха, при заданных параметрах
е4 — 3,396 кДж/кг (рассчитана в примере 2.10, где она обозначена как ei+x).
Е^ = 0,164 • 3,396 = 0,56 кВт.
Эксергия высушенного продукта рассчитывается по уравнениям (2.12), (2.13)
и (1.18):
Е3 — mKCK(VK — toe) — 7осск 'п — ,
Joe
E5 = 0,20 • 1,324 • (36,4 - 20) - 293 • 1,324 • In = 0,01 кВт.
E6 рассчитывается по уравнениям (2.12) и (2.13):
£?6 ’ тгр.п[(Лф.п — hoc) — 7ос(вф.п ~ SOc)]5
где з'ф п = 1,530 кДж/(кг • К) — энтропия конденсата греющего пара при рГр.п =
= 200 кПа (см. прил. 2),
Е6 = 0,7[(504,7 - 84,0) - 293(1,530 - 0,296)] = 0,42 кВт.
Е7 рассчитывается по уравнениям (2.28) и (2.30):
Е7 = Q7 (1 - ,
\ 1 ИЗ /
Е7 = 1,37
Эксергетический метод термодинамического анализа ф- 79
где Гиз — температура наружной поверхности изоляции аппаратов, принима-
ется Тт = 273 + 40 = 313 К:
1 -=009квт
Суммарная эксергия выходящих из установки потоков:
#вых = #4 + Z?5 4- Eq + Е7,
Явых = о,56 + 0,1 + 0,42 + 0,09 = 1,08 кВт.
2.3. Эксергетический КПД сушилки.
Если считать, что полезноиспользуемыми являются затраты эксергии на
испарение влаги, ДЕИсп, то эксергетический КПД сушилки
_ Д^исп
Согласно уравнениям (2.16) и (2.14):
ДЯисп = ТУ [(Л" - Лн) - Гос(з" - Sh)],
где Л" из" — энтальпия и энтропия паров влаги при температуре испарения
= 36,4°С: h" = 2566,8кДж/кг, з" = 8,334кДж/(кг-К) (см. прил. 1); hH и зн —
энтальпия и энтропия влаги при начальной температуре продукта ин = 20 °C:
Лн = hoc = 84,0 кДж/кг, зн = вое = 0,296 кДжДкг-К.) (см. прил. 3).
ДЯисп = 0,004[(2566,8 - 84,0) - 293(8,334 - 0,296)] = 0,52 кВт,
= тй •100 = 12>0%-
4,35
2.4. Потери эксергии.
С отработанным воздухом:
гк=Ы 100=12,9%’
эксергия испарившейся влаги, в данной задаче равная ЛЕИсп, входит в эти
12,9%.
С теплотой высушенного продукта:
^- = 2g. 100 = 0,2%.
С конденсатом греющего пара:
sft = ^‘100=9,6%-
С теплопотерями в окружающую среду:
= £2! юо = 2,1%.
От необратимости процесса теплообмена в калорифере (ГВ), согласно форму-
лам (2.34) и (1.18):
Т
D[B — 2oc{mrp.n(Stp.n ~ Srp.n) 4- ПТвз • Свз • In -= },
L о
80 О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава 2
DTB = 293
где Свз — изобарная теплоемкость воздуха при его средней температуре t =
= (110 + 20)/2 = 65 °C, свз = 1,005 кДж/(кг-К) (см. прил. 9),
0,007(1,530 - 7,129) + 0,164 • 1,005 • In 2-7Д- 1 = -1,47 кВт,
’ v 7 273 4- 20 J
что составляет
= йг100=ззж
От необратимости процесса теплообмена, а также в процессе смешения паров
влаги с воздухом в сушилке:
= Ё'ВЫХ + Огв — ' EB]i,
£>сш = 1,08 + 1,47 - 4,35 = —1,80 кВт,
что составляет
= '100=41>3%-
Результаты эксергетического баланса проиллюстрированы диаграммой Грас-
смана (рис. 2-125).
Таким образом, с одной стороны полезными затратами эксергии можно
считать затраты эксергии на испарение влаги, ДВИсп, с другой стороны ис-
парившаяся влага обладает эксергией (часто равной ЛЕИсп), доля этой эк-
сергии в общих потерях значительна (в данной задаче 12%). Рекомендовать
к использованию можно и конденсат греющего пара, потери эксергии с кото-
рым составляют почти 10%. Однако основные потери входящей в установку
эксергии связаны с необратимостью процессов теплопередачи и смешения
при конвективной сушке, существенно уменьшить которые невозможно при
данном способе обезвоживания материала. К снижению потерь эксергии при
теплопередаче приводит уменьшение температуры воздуха после калорифера,
однако это влечет за собой увеличение времени сушки, а в некоторых случаях
повышение конечной влажности продукта. Потери от необратимости процес-
сов несколько снижаются при сушке перегретым паром.
Более подробно метод эксергетического анализа конвективных сушильных
установок дан в книгах [3, 46].
Тепловой баланс позволяет рассчитать расход теплоносителя в калорифере
сушилки и расход воздуха на сушку, но не выявляет значимость каждого
теплового потока и реальные пути снижения энергозатрат.
Примеры утилизации теплот отработанного воздуха конвективных сушиль-
ных установок и конденсата греющего пара даны в главе 6.
Пример 2.12. Рассчитать затраты эксергии на процесс концентрирования от 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; б- диаграмма Грассмана.
Массовый расход исходного раствора тн = 1000 кг/ час; его теплоемкость сн =
= 3,980 кДж/(кг-К), температура t„ = 20 °C. Расход выпариваемой воды W =
= 800 кг/час. Расход концентрированного раствора тк = 200 кг/час, его тепло-
емкость ск = 3,318 кДж/(кг-К), температура tK = 109 °C. Расход насыщенного
греющего пара тгр,п — 1089,5 кг/час, его давление ргр,п = 300 кПа. Теплопотери
составляют 29,1 кВт. Процесс выпаривания ведется при атмосферном давлении
Ратм = ЮО КПа.
Решение. В выпарной аппарат (рис. 2-13а) поступают: исходный раствор 1
с теплотой Qi и эксергией Е^ греющий пар 2 с теплотой Q2 и эксергией Е2
Из выпарного аппарата отводятся: концентрированный раствор 3 с теп-
лотой Q3 и эксергией Е3; вторичный пар 4 с теплотой Q4 и эксергией Е4;
конденсат греющего пара 5 с теплотой Q3 и эксергией Еъ\ теплопотери Q6, их
эксергия Еб; теплота дегидратации Q? и ее эксергия ДЕ7.
1. Тепловой баланс.
Qi — TnHcHtH,
Qi = S-3’98°-2o=22>ikBt-
ooUll
Q2 — ЛТ-гр.п^гр.П’
82 •> ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4- Глава 2
где Л"р п — энтальпия греющего пара, Л^1П = 2725,5 кДж/кг при ргр.п = 300 кПа
(см. прил. 2).
<?2 = 77777777 • 2725,5 = 783, кВт.
3600
Оз = ^кск^к,
<2з = ^7-3,318-109 = 20,1 кВт.
зьии
«4 = Whl,
где /г" — энтальпия вторичного пара, Л" = 2675,7 кДж/кг при ратм = 100 кПа
(см. прил. 2),
«4 = ^-2675,7 = 594,б кВт.
ooUU
Q& = тгр.п^гр.п’
где Л[р п — энтальпия конденсата греющего пара, h'^ п = 561,4 кДж/кг при Рф.п =
= 300 кПа (см. прил. 2)
е» = ^'561’4=161’4кВг'
(Эе = 29,1 кВт.
Теплота дегидратации рассчитывается на мольные доли растворенного веще-
ства и растворителя.
В 1000 граммах раствора, содержащего 5% (массовых) СаС12 число молей
СаС12 равно пн = (0,05 • 1000)/111 = 0,45; число молей воды равно (1 - 0,05)
• 1000/18 = 52,78. На один моль раствора приходится nHW = 52,78/(52,78 + 0,45) =
= 0,9915 молей воды. На один моль СаС12 приходится 52,78/0,45 = 117,3 молей
воды. Теплота образования такого раствора [39]
QH = -872,5 кДж/моль.
В 1000 граммах раствора, содержащего 25% (массовых) СаС12, 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 nKW = 41,67/(41,67+2,25) =
= 0,9488 молей воды. На один моль СаС12 приходится 41,67/2,25 = 18,5 молей
воды. Теплота образования такого раствора [39]
Q = -868,3 кДж/моль.
Молярная теплота дегидратации
Фдегидр. = -868,3 - (-872,5) = 4,2 кДж/моль.
В концентрируемом растворе число молей СаС12
п = тнпн = ткпк =
1000 _ 200
—— • 0,45 = —- • 2,25 = 0,125 моль/с.
3600 ’ 300 ’ ’ '
Массовая теплота дегидратации
Q7 = 4,2 -0,125 = 0,5 кВт.
Суммарная входящая теплота
Qbx — Qi + Q21
Эксергетический метод термодинамического анализа ❖ 83
52 Qbx = 22,1 + 783,6 = 805,7 кВт.
Суммарная выходящая теплота
52 <5 вых — + <?5 + Qe + Qli
52 <?вых = 20,1 + 594,6 + 161,4 + 29,1 + 0,5 = 805,7 кВт
\ Qbx = ' Овых,
что соответствует закону сохранения энергии, в данном случае в виде теплоты.
Тепловая нагрузка аппарата
Q — Q2 Qe — Q3 + Qa + Qe + Qr — Qi,
Q = 783,6 - 161,4 = 622,2 кВт.
Потери теплоты в окружающую среду составляют
29 1
• ЮО = 4,7%
от тепловой нагрузки аппарата.
2. Эксергетический баланс.
При составлении эксергетического баланса параметрами окружающей сре-
ды выбираются температура toe — 20°C, т.е. Тос = 273 + 20°C = 293К и дав-
ление рос = 100 кПа, при этих условиях энтальпия воды hoc = 84,0 кДж/кг,
энтропия воды вое = 0,296кДж/(кг-К) (см. прил. 3). Химический состав веществ
при выпаривании не меняется, следовательно, реакционная эксергия является
транзитной, поэтому не учитывается.
Эксергия исходного раствора Е4 = 0, так как его температура равна toe
и давление равно рос-
Эксергии потоков греющего пара Е2, вторичного пара Е4, конденсата гре-
ющего пара Е5 рассчитываются по уравнению (2.13) совместно с (2.12)
T?2 = mppn^/ipp п — hoc) — soc)]>
где sn>.n — энтропия греющего пара, s^n = 6,993 кДж/(кг-К) при давлении
Ргрп = 300 кПа (см. прил. 2).
е2 = 5655 К2725,5 ~ 84,°)" 293(6’993 _ °’296)] = 195,з Вт’
Е4 = VK[(h" - hoc) - Toc(s" - Soc)],
где s" — энтропия вторичного пара, s" = 7,361 кДжДкг-К.) при ратм = 100кПа
(см. прил. 2),
Е4 = ^Й^2675 “ 84,°) “ 293<7’361 “ °>296)] = И5,8 кВт,
£?5 = ^гр.п[(^гр.п ~ ^ос) ~ ^ос(5гр.п “ 5ос)],
где srp.n “ энтропия конденсата греющего пара, = 1,672 кДж/(кг-К) при
р = 300 кПа (см. прил. 2),
Еь = • [(561,4 - 84,0) - 293(1,6720,296)] = 21,3 кВт.
3600
84 > ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 2
Эксергия потока концентрированного раствора Е3 рассчитывается при сов-
местном решении уравнений (2.12), (2.13), (1.45), (1.18):
Т
Е3 = mK[cK(tK — toe) ~ Tocsin — ],
где Гк = 109 + 273 = 382 К,
£3 = 3,318 • (109 - 20) - 293 • 3,318 • In = 2,1 кВт.
3600 [ 293
Эксергия тепловых потерь рассчитывается по уравнениям (2.30) и (2.28):
E6 = Q6 (1-^У
\ 1 ИЗ/
где Т„3 — температура наружной поверхности изоляции аппарата, принимается
Тиз = 273 + 40 = 313 К,
/ 293 \
E6 = 29,l 1- — =1,9кВт.
\ ОАО /
Затраты эксергии на дегидратацию [46] в молярном начислении:
/ Тос\
Д-Едегидр = Q де гидр I 1 — 77Г~ I ~ -R^oc 1П ^-ср,
\ -*ст /
где ТСт — температура, при которой энергия Гиббса не изменяется вследствие
взаимодействия между компонентами раствора, сопровождаемого тепловым
эффектом; для водных растворов нелетучих веществ ее можно считать рав-
ной критической температуре кипения воды, т.е. 647К (см. прилож.1); пср -
среднеквадратичная молярная доля растворителя (воды) в растворе.
Пср = (nHwTlKw)^’^
пср = (0,9915 • О,9488)0’5 = 0,97,
R = 8314Дж/(кмоль • К) = 8,3 • 10-3 кДж/(моль-К),
/ 293 \
ДЯдегидр = 4,2 ( 1 - \ - 8,3 • 10"3 • 293 • In 0,97 = 2,4 кДж/моль.
Затраты эксергии на дегидратацию в массовом исчислении
&Еч = Д^/дегидрП,
ДЕ7 = 2,4 • 0,125 = 0,3 кВт.
Суммарная входящая эксергия
У7 Евк = Ei + Е3,
52 Евк = о + 195,3 = 195,3 кВт.
Суммарная выходящая эксергия
52 ^ВЫХ — Е3 + Е4 + Е§ 4- Eq + А £7,
52 Явых = 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 греющего пара составляют:
ft; = W100=0’15%-
Это, несомненно, полезные затраты эксергии.
Потери эксергии с концентрированным раствором:
5% = life ‘100 =1Ж
Потери эксергии со вторичным паром:
^ = ltl 100 = 59’3%-
Потери эксергии с конденсатом греющего пара:
= W ’100 = 10,9%-
Эксергия тепловых потерь
^ = Жз-100 = 1’0%-
Таким образом, больше всего тепловой энергии, годной к использованию,
уносит вторичный пар; на втором месте стоят потери эксергии с конденсатом
греющего 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:
Т?внеш — Э” ^4 "Ь — 2,1 + 115,8 -I- 21,3 -|-1,9 — 141,1 кВт,
§t; = w-100= 72’2%-
Потери эксергии из-за необратимости процессов в выпарной установке состав-
ляют:
•^внутр = ^вх -^внешн =: 195,3 141,4 — 0,3 = 53,9 кВт,
что составляет
§£ = W-100 = 27’6%’
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 греющего пара.
86 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 2
Рис. 2-14. К расчету эксергетического баланса разделения воздуха (к примеру 2.13): а-
схема установки; £- изображение процессов в Т-s координатах; в-диаграмма Грассмана.
Пример 2.13. Выполнить эксергетический анализ установки для разделения воз-
духа на кислород и азот, массовые доли которых считать равными у(02) = 23,2%
и y(N2) = 76,8%; молярные концентрации соответственно $(02) ~ 0,209 и f(N2) =
= 0,791. Воздух сжимается компрессором до \QMIJa, охлаждается в рекупера-
тивном теплообменнике до -111 °C, дросселируется до давления QfiMIla.
Решение. Принципиальная схема установки представлена на рис. 2-14а, где
КМ — многоступенчатый охлаждаемый компрессор, ТР — рекуперативный
теплообменник, ДР — дроссель-вентиль, ВРУ — ректификационная воздухо-
разделительная установка.
Расчет выполнен для 1 кг воздуха при Тос = 290 К и рж = 100 кПа = 0,1 МПа.
Для получения в чистом виде газов из воздуха нужно затратить минималь-
ную работу, равную концентрационной эксергии этих газов в воздухе, которая
рассчитывается по формуле (2.20).
Газовые постоянные: азота 7?(N2) = 0,297 кДж/кг, кислорода /?(О2) =
= 0,260 кДж/кг, воздуха R — 0,287 кДж/кг (см. прил. 10).
Для одного килограмма азота:
ec(N2) = 290 • 0,297 • In = 20,2 кДж/кг (N2);
Для одного килограмма кислорода:
ес(О2) = 290 • 0,260 • In -±- = 118,0 кДж/кг (О2).
Эксергетический метод термодинамического анализа Ф 87
В пересчете на 1 кг воздуха, поступающего в установку
e(N2) = j/(N2) • ec(N2) = 0,768 • 20,2 = 15,5 кДж/кг;
е(О2) = у(О2) • ес(О2) = 0,232 • 118,0 = 27,4 кДж/кг.
Это и есть эксергии получаемых в установке чистых газов, т.е. e3(N2) =
= 15,5 кДж/кг; е5(О2) = 27,4 кДж/кг.
Единственный поток эксергии, входящий в установку, евх, равен работе
компрессора КМ, поскольку атмосферный воздух с параметрами окружаю-
щей среды обладает эксергией, равной нулю. Удельная работа компрессора
(см. формулы (3.6) и (3.21))
т/км
воздух в компрессоре; ркм — кпд
= 639 кДж/кг.
I 1п~
евх = -L = RT—
'Пкм
где pi — давление, до которого сжимается
компрессора, принимается т}™ = 0,6;
0,287 • 290 • In
евх= 0^6 ~
Эта величина принимается за 100% (см. рис. 2-14в). Для хорошо охлаждаемого
многоступенчатого компрессора температура воздуха на выходе из него равна
исходной 71 = Тос = 290 К.
Удельная эксергия воздуха на выходе из компрессора составляет 60% от
потребляемой компрессором эксергии евх:
ei = евх • tjkm = 639 • 0,6 = 383,4 кДж/кг.
Сжатый воздух охлаждается (процесс 1—2, рис. 2-146) в рекуперативном тепло-
обменнике ТР до температуры Т2 = 273-111 = 162 К. Удельная эксергия потока
воздуха после теплообменника, согласно формуле (2.12):
е2 = h2 — hoc Toc(s2 — Soc),
где h2 и s2 — удельные энтальпия и энтропия воздуха в точке 2, т.е. при
давлении р2 = pi = 10 МПа и температуре Т2 = 162 К: h2 = 276 кДж/кг; s2 =
= 1,5кДж/кг(кг • К) (см. прил. 6); hOc и Soc — удельные энтальпия и энтропия
воздуха в условиях окружающей среды, т.е. в точке 0 при
= 0,1 МПа и температуре Тос = 290 К: soc = 3,73кДж/(кг К), hoc
е2 = 276 - 504 - 290(1,5 - 3,73) = 418,7 кДж/кг;
— = • ЮО = 65,5%.
^вх ОоУ
Охлажденный воздух дросселируется через вентиль ДР до
= 0,6МПа. Процесс дросселирования 2—3 происходит при Л3
= 276кДж/кг; s3 = 1,92кДж/(кг- К), Т3 — 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 кДж/кг;
давлении рос =
= 504 кДж/кг.
давления р3
Лг
88 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4- Глава 2
— •100 = • 100 = 46,5%.
еВх 639
После дросселирования воздух направляется в ректификационную воздухораз-
делительную установку ВРУ, где происходит процесс разделения воздуха на
азот и кислород (процесс 3—4 на рис. 2-14а и б).
Азот и кислород выходят из колонны в состоянии сухого насыщенного пара
при давлении, близком к атмосферному, рд = Рос = 0,1 МПа; при этом давлении
Т4(О2) = -183 + 273 = 90 К; Т4(ДГ2) = -195,8 + 273 = 77,2 К (см. прил. 10).
Эксергия потоков азота и кислорода рассчитывается по формуле (2.17)
с учетом концентрационной эксергии
е4
^Ср(Т4 — Тос) — Тос
Cpln^- -Я1п-^-
. Р Тос Рос
•2/,
где cp(N2) = 1,03 кДж/(кг-К); ср(О2) = 0,91 кДж/(кг-К) (см. прил. 9),
77 2
e4(N2) = {1,03 • (77,2 - 290) - 290 • [1,03 • In —р- -
29U
- 0,297 In ji] + 20,2} 0,768 = ISO,8 кДж/кг;
• 100 = 24%;
eBx 639
e4(O2) = {0,91 • (90 — 290) - 290 • 0,91 • In - 0,260 • In +
zyu u,i
+ 118,0} • 0,232 = 56,8 кДж/кг;
5Й^.11Ю = И.
cBx 639
После ВРУ кислород и азот подогреваются (процесс 4—5) в теплообменнике
ТР до Т5 = Гос = 290 К.
Доля эксергии полученных чистых газов составляет:
вВх ОЗУ
Общий эксергетический КПД установки:
% = 4,3 + 2,4 = 6,7%.
Для уменьшения потерь эксергии необходим более совершенный компрессор,
меньшая разность температур в теплообменнике, замена дросселя на детандер,
лучшая организация процесса в колонне.
Для наглядности на рис. 2- 14е построена диаграмма потоков эксергии (диа-
грамма Грассмана).
3
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-
ществ;
— 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 ТЭЦ 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 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава 3
3.1. КОМПРЕССОРЫ
3.1.1. Общие сведения
Компрессором называется энергетическая машина или устройство для повы-
шения давления и перемещения газа или смесей газов (рабочей среды). (Здесь
и далее термины и определения, имеющиеся в ГОСТ 28567—90, даны из этого
ГОСТа). Обычно в компрессорах газы сжимаются от атмосферного до более
высокого давления.
По принципу действия компрессоры подразделяются на объемные и дина-
мические (называемые также лопаточными или кинетическими).
В компрессорах объемного действия рабочий процесс осуществляется в ре-
зультате циклического изменения объемов рабочих камер. Эти компрессоры
бывают поршневыми, мембранными, роторными.
В компрессорах динамического действия рабочий процесс осуществляется
путем динамического воздействия на непрерывный поток сжимаемого газа.
К этим компрессорам относятся турбокомпрессоры и струйные компрессоры.
В связи с тем, что струйные компрессоры практически не применяются
в биотехнологиях, в этом разделе они не рассматриваются, а рассматриваются
струйные вакуум-насосы в разделе 3.2.6. Принцип действия струйных компрес-
соров и вакуум-насосов одинаковый.
По давлению газа на выходе из компрессора — конечному давлению ком-
прессора, различают компрессоры низкого давления с конечным давлением до
1,5 МПа; среднего давления — от 1,5до 10 МПа; высокого давления — от 10 до
100 МПа, сверхвысокого давления — от 100 МПа 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 крупные (свыше 1,5 м3/с)
компрессоры.
В зависимости от сжимаемой рабочей среды различаются воздушные ком-
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) МПа и выполняются без учета специальных требований,
характерных для отдельных областей их применения.
Несмотря на различные принципы действия и большие конструктивные
различия компрессоров, с термодинамической точки зрения процессы, проис-
ходящие в них, одинаковы.
В задачу термодинамического анализа входит установление условий, ко-
торые могут обеспечить наибольшую эффективность компрессоров, т. е. наи-
меньшую затрату внешней работы.
Сжатие и расширение газов ❖ 91
3.1.2. Основные параметры
Основными величинами (параметрами), характеризующими работу ком-
прессора, являются:
• объемная производительность V — 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/pi, где т — массовая производительность компрессора, т. е. массовый
расход газа на выходе из компрессора, pi — плотность газа при условиях
всасывания;
• начальное pi и конечное р2 давления — давления на входе в компрессор и на
выходе из него (давления всасывания и нагнетания);
• отношение давлений (устаревший термин — степень сжатия) /3 = рг/pi- При
3 1,1 компрессорные машины называются вентиляторами, они служат
для перемещения больших количеств газа практически без их сжатия, эти
машины рассматриваются в курсе процессов и аппаратов химической тех-
нологии. При 1,1 < /3 < 3,0 машины называются газодувками. Собственно
компрессоры — это машины с отношением давлений /3 > 3,0;
• начальная и конечная температуры компрессора — температуры газа на
входе в компрессор и на выходе из него;
• частота вращения п и мощность Nm на валу приводного двигателя.
3.1.3. Поршневые компрессоры
В поршневом компрессоре изменение объемов рабочих камер осуще-
ствляется поршнями, совершающими прямолинейное возвратно-поступатель-
ное движение.
7 2
Рис. 3-1. Поршневой компрессор
простого действия.
Поршневые компрессоры бывают простого и двойного действия.
В поршневых компрессорах простого действия, рис. 3-1, газ всасывается
в цилиндр 1 через всасывающий клапан 3
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 кривошипно-шатунный ме-
ханизм. 5 и 6 — вход и выход воды, охлажда-
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 ❖ Глава3
Рис. 3-2. Поршневой компрессор двой-
ного действия.
Рис. 3-3. Двухцилиндровый компрессор
с цилиндрами двойного действия.
пан 3, 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 З1 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-
мой, представляющей собой зависимость давления р в цилиндре поршневой
машины от его переменного объема К-
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 мертвым простран-
ством или вредным пространством, его объем К- Объем мертвого про-
странства выражается в долях от рабочего (полезного) Кол объема цилиндра
К = 71-пол, где 7 = К/Кол — относительный объем мертвого простран-
Сжатие и расширение газов 4- 93
апва. В зависимости от конструкции компрессора и расположения клала
нов в цилиндре значение у изменяется в пределах от 0,025 до 0,06. Газ
находящийся в мертвом пространстве
сжат до давления рг. При движении
поршня из левого крайнего положения
вправо начинается расширение газа,
находящегося в мертвом пространстве
(процесс DA). Давление газа уменьша-
ется до значения рл, которое несколь-
ко меньше давления pi во всасыва-
ющей линии. В положении поршня,
соответствующем точке А, под действи-
ем разности давлений р-р а открывается
всасывающий клапан, и газ поступает
в компрессор. Всасывание (линия АВ)
продолжается до достижения поршнем
правого крайнего положения (точка В).
Объем всасываемого газа:
Рис. 3-4. Индикаторная диаграмма.
^вс — 7напГпоЛ1
где 7нап = Гвс/Кол — коэффициент объ-
емного наполнения цилиндра 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 начинается сжатие газа (линия ВС) до давления, несколь-
ко превышающего давление в нагнетательной линии, при котором (в точке С)
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 &рв ~Pi « const
Ув
Lab = | pdVu = piVB ~PiVA,
Va
В процессе ВС, когда объем газа уменьшается от Vb до Vc, а давление увели-
чивается от рв «pi до рс «Р2, работа, затрачиваемая на сжатие газа:
Vc Vc Р2
Lbc = j pdVu = j [d(pVu) - Vudp] = p2Vc - PiVB - j Vu dp.
Vb Vb Pi
94 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава.'!
Работа выталкивания газа при pc ~ Pd = Р2 = const
VD
LcD = I P2 dVu = P?Vd — P^C-
Vc
Работа, получаемая при расширении газа, оставшегося в мертвом пространстве
цилиндра (принимается pi)
VA VA Р2
Lda = j pdVu = j [d(pVu) - Vudp] = PlVA -p2Vo - j Vudp,
Vd Vd Pi
где
P2
J Vudp«0,
pi
так как эта работа в компрессорах незначительна и не используется.
Работа всего цикла
L = Lab + Lbc + Lcd + Lqa-
После подстановки величин и преобразований получается:
Р2
L = - |vudp.
pi
Величина L отрицательна, так как для сжатия газа в компрессоре работа за
трачивается, т. е. подводится от внешнего источника. Величина L называется
технической работой компрессора, она существенно отличается от Lbc — соб-
ственно работы сжатия газа в цилиндре компрессора.
Если обозначить массу газа, поступившего в цилиндр компрессора, сжатого
в нем и вытолкнутого из него, тц, то = vm^. Удельная работа, т.е. работа
для одного килограмма газа:
Р2
I — — | vdp.
pi
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:
Р2
I = | vdp. (3.1)
pi
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 може
быть рассчитана по уравнению (1.38).
Сжатие и расширение газов 4- 95
Простейшая теория компрессорных процессов основывается на термодина-
мике идеального газа. Расчет компрессоров для воздуха с конечным давлением
ю 10МПа по уравнениям термодинамики идеального газа 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):
I =---tRTi
п — 1
(3.2)
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; -5lwx = 51, тогда
^Qbh — dh 51.
(3.3)
В том случае, когда в процессе сжатия газа в компрессоре теплота не
отводится <5дВн = 0, процесс является адиабатным, и компрессор называют
адиабатным. Работа такого компрессора
51яп dh,
(3.4)
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):
/ад —
к
~1Р^
(3.5)
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 (7\ =72 = Т), то компрессор называют изотермным.
Работа такого компрессора может быть рассчитана по уравнению (1.21):
lt = RTln — = pvln——.
Pi Pi
(3.6)
Для изотермного процесса идеального газа и pivi=p2v2, т.е. dh = 0.
96 -О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА -О Глава?
Рис. 3-5. Изображение процессов сжатия в компрессорах на диаграммах h-s,T-s,p-i
Тогда с учетом ранее сделанных допущений: dw = 0, dZ=Q, -dl-reK=dl, получаем
из уравнения (1.55):
&7вн = —(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 образующаяа
при сжатии газа теплота. Отводимая теплота для изотермного процесса може:
быть рассчитана также, согласно уравнению (1.2), по изменению энтропии газа
Qbh = ТДз. (3.8)
Процессы идеального (пунктирные линии) и реального (сплошные линии;
сжатия в компрессоре в различных координатах изображены на рис. 3-5. Дв
Сжатие и расширение газов 4- 97
всех процессов: 1 — исходное состояние газа при всасывании при давлении pi
и температуре Ti, р2 — 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 КПД, который
равен отношению работы компрессора в идеальном процессе I к работе ком-
прессора в действительном процессе /д.
г? = Г- (3.9)
1д
Термодинамический КПД 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
= 0,7...0,9. Для изотермного (хорошо охлаждаемого) компрессора гр =
= 0,6...0,8. Термодинамический КПД сравнивает несуществующий идеальный
процесс с реальным процессом в компрессоре.
Эксергетический КПД компрессора сравнивает минимально возможную ра-
боту на сжатие газа (затраты эксергии Де) в действительном процессе, с затра-
ченной компрессором работой:
% = (3.10)
‘д
В том случае, если теплота <7ПН, отводимая при охлаждении газа, используется,
эксергетический КПД увеличивается за счет эксергии е, этой теплоты:
На рис. 3-6 показаны процессы в компрессоре в координатах е - h.
В обратимом изотермном процессе 1—2 температура газа остается посто-
янной и обычно равной Тос- Поэтому те - 0, и эксергия е, 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 еч = 0
сохраняется. Поэтому для любого изотермного сжатия
lt = Ae(1_2)+£d. (3.12)
В частном случае обратимого процесса, когда £2 d = О, работа компрессора
равна подводимой эксергии и может быть определена по диаграмме e-h. Для
изотермного процесса эксергетический КПД равен термодинамическому КПД.
При адиабатном сжатии eq = 0, так как отсутствует отвод теплоты дВн = 0.
Обратимое адиабатное сжатие изображается на рис. 3-6 прямой 1—5, идущей
4-4675
98 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава !
Рис. 3-6. Изображение процессов сжатия в компрессорах на диаграмме е - h.
по линии s = const. Минимальная работа равна Де(1_5) = ДЛ(1_5). По е-1
диаграмме видно, что
Де(1-5) > ДС(1_2).
Превышение адиабатной работы над изотермной равно Де(2-5)-
В реальном адиабатном процессе 1—6 часть работы компрессора затра-
чивается на трение и переходит во внутреннюю энергию газа, повышая его
энтальпию /i6 > h5. Поэтому и эксергия газа в конце процесса возрастает е$>
> е5. Однако величина Де(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
Действительная работа адиабатного процесса Д/1(1_6) больше, чем Де(1_6), та
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 изо-
энтропой 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 6q = 0. Во всех процессах сжатия (и расширения),
связанных 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 компрессора
дано в нижеприведенном примере.
Сжатие и расширение газов Ф 99
Пример 3.1. Сравнить затраты энергии на сжатие воздуха до ®$>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 °C.
Решение. Показатель адиабаты для воздуха к = 1,40; удельная газовая посто-
янная R = 287Дж/(кг-К) (см. прил. 10). Пусть при всасывании давление воздуха
Pi = 0,1 МПа; температура воздуха Т\ = 273 + 30 = 303 К. Давление нагнетания
Р? = 0,8 МПа. При изотермном сжатии на выходе из компрессора температура
воздуха T2t = Ti = 303 К.
Удельная работа изотермного компрессора рассчитывается по уравнению
(3.6):
h = 287 • 303 • In = 1,8 • 105 Дж/кг.
Количество теплоты, отводимой от воздуха в процессе изотермного сжатия,
равно по значению подведенной работе согласно уравнению (3.7):
д6н = 1,8-105 Дж/кг.
Удельная работа адиабатного компрессора рассчитывается по уравнению (3.5),
где, согласно уравнению (1.3), pivi = RT\:
1,40
'> = пугт'287'303'
1,4-1
0/А 1-4
0,1/
= 2,5 • 105 Дж/кг.
Таким образом, в рассматриваемом примере, работа, затрачиваемая адиабат-
ным компрессором, больше работы изотермного компрессора на
2,5; 105 — 1,8 • 105 х _
1,8- 105
После сжатия в адиабатном компрессоре температура воздуха определяется
по уравнению (1.34):
1,4-1
/0,8\ 1.4
Т2ад = 303 (^1 = 549К.
После адиабатного сжатия в компрессоре воздух изобарно охлаждается в хо-
лодильнике. После охлаждения воздух также имеет температуру Т2охл = 303 К.
Средняя температура воздуха в процессе охлаждения
549 + 303 о _
2
Теплоемкость воздуха при этой температуре ср = 1016,2 Дж/(кг-К) (см. прил. 9).
Количество теплоты, отводимой от воздуха в изобарном процессе согласно
уравнению (1.17):
9охл = Ю16,2 • (549 - 303) = 2,5 • 105 Дж/кг.
Таким образом после адиабатного сжатия от воздуха отводится теплоты на
100 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава:<
2,5 • 105 - 1,8 • 105
1,8 • 105
• 100 = 39%
больше, чем в процессе изотермного сжатия.
Из приведенного примера видно, что изотермный (охлаждаемый) компрес-
сор потребляет меньше 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. Предел одноступенчатого сжатия. Многоступенчатое
сжатие
С увеличением отношения давлений /3 значение коэффициента объемного
наполнения 7нап снижается и может стать равным нулю. Отношение давлений,
при котором 7нап — 0, называется объемным пределом сжатия. В этом случае
газ, находящийся в мертвом пространстве, расширяясь, занимает весь объем
цилиндра, и всасывание становится невозможным.
Еще одним ограничением, обуславливающим сравнительно небольшое до-
пустимое отношение давлений в ступени, является температура газа в конце
сжатия, которая не должна быть выше 170 °C. При более высоких температу-
рах возможно возгорание компрессорных смазочных масел. При нормальной
работе компрессора среднего давления температура сжатого газа не должна
превышать (115... 145) °C.
Практически для компрессоров с большой объемной производительностью
и при охлаждении цилиндра отношение давлений /3^4. Для малых ком-
прессоров отношение давлений может быть повышено до 8. Если необходимо
более высокое отношение давлений, то процесс сжатия ведется в нескольких
ступенях.
Ступень компрессора — это совокупность элементов компрессора, обеспе-
чивающих повышение давления и перемещение газа в определенном интервале
давлений внутри заданного диапазона.
Одноступенчатый компрессор повышает 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 отношение давлений газа во всех ступенях одинаково и равно примерно
/3 « (2,5...3,5). Если число ступеней компрессора z и давление газа после
последней ступени равно рг+1, то отношение давлений в каждой ступени
/3=(^±^у. (3.13)
\ Р1 /
Сжатие и расширение газов ❖ 101
Рис. 3-7. Изображение на диаграмме Т - з процессов сжатия и охлаждения газа в
многоступенчатом компрессоре.
На рис. 3-7 в Т - s координатах показаны процессы адиабатного сжатия 7—
2, 20хл“Л 3OXJi—4, 4Охл”"5 в четырехступенчатом компрессоре, а также процессы
изобарного охлаждения газа 2—20Хл, 3—50хл> 4—4ОХл, 5—50хл между ступенями.
Работа сжатия газа во многоступенчатом компрессоре рассчитывается по
тем же формулам, что и для одноступенчатого компрессора, но с учетом числа
ступеней сжатия z. При адиабатном сжатии в ступенях:
, &
1ад — Z— -RTi
К J.
k-
k -1
(3.14)
при изотермном сжатии в ступенях
lt = zRT1\n/3, (3.15)
где ft — отношение давлений газа в одной ступени.
Температура газа после каждой адиабатной ступени сжатия рассчитывается
по формуле (1.34), где Р2/Р1 = Р. Температура газа после охлаждения между
ступенями обычно на (8... 10) К больше температуры газа на входе в первую
ступень, т. е. Тохл = Т\ + (8... 10), следовательно
fc-i
Тз = Т4 = Т5 = ... = Tz+\ = Тохл^ * • (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
давление на выходе из компрессора.
3.1.8. Многоступенчатые поршневые компрессоры
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 X и поступает в цилиндр с правой стороны поршня, где сжимается
до заданного давления.
102 О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава
б
Рис. 3-8. Многоступенчатые поршневые компрессоры: а - со ступенчатым поршнем; б-
оппозитный; в - прямоугольный.
Сжатие и расширение газов ❖ 103
Получили распространение оппозитные компрессоры: оси 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 V-образное расположение осей
цилиндров, Ш-образное, звездообразное, прямоугольное. На рис. 3-8е 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 изнаши-
ваются и имеют лучшую герметичность уплотнений. Силы инерции возвратно-
поступательно 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 зрения динамической устойчивости явля-
ются прямоугольные компрессоры. Эти 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 многорядные. Однорядные просты по конструкции. Многоступенчатые го-
ризонтальные компрессоры обычно выполняются по одно-, двух-, четырех-
и шестирядной схеме.
К наиболее прогрессивным схемам относятся горизонтальные компрессоры
с оппозитным расположением цилиндров относительно вала в двух или более
рядах.
104 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава !
Поршневые компрессоры используются для сжатия газов до средних и вы-
соких давлений, но, соответственно, при средних и малых производительно-
стях. Недостатками поршневых компрессоров являются: сложность конструк-
ции и высокая стоимость; тихоходность и невозможность прямого соединения
с электродвигателем; множество быстроизнашивающихся трущихся деталей:
загрязнение сжимаемых газов смазочными маслами и недопустимость вса-
сывания загрязненных газов; неравномерность всасывания и объемной про-
изводительности; сложность обслуживания. Представляется целесообразным
перевод поршневых компрессоров на работу без смазки цилиндров и сальни-
ков. Для этого производят замену чугунных поршневых, сальниковых и мас-
лосъемных колец на кольца, выполненные из наполненных фторопластов.
Для предотвращения касания поршня о зеркало цилиндра на нем устанавли-
ваются направляющие кольца или опорные сегменты, изготавливаемые так-
же из наполненных фторопластов. Система смазки цилиндров и сальников
демонтируется.
3.1.9. Роторные компрессоры
Роторные компрессоры относятся к классу объемных компрессоров. В них.
как и у поршневых компрессоров, сжатие газа происходит в замкнутом про-
странстве при уменьшении объема. В отличие от поршневых компрессоров
рабочие камеры образуются расточкой корпуса и размещенным в ней рото-
ром (роторами), а изменение объемов рабочих камер происходит в результате
вращения ротора (роторов). Роторные компрессоры бывают пластинчатыми,
жидкостно-кольцевыми, с катящимся ротором, роторно-поршневыми, винто-
выми, шестеренчатыми, трахоидными.
На рис. 3-9 приведена схема роторного пластинчатого компрессора. В ци-
линдрическом корпусе 5 вращается эксцентрично установленный в нем ротор
7, 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 J.
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.
Минимальный 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 и расширение газов 4- 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 вращается со скоростью на внешней кромке пластины
не более (10... 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 про-
ще 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 И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава?
Рис. 3-10. Винтовой компрессор.
Винтовой компрессор (рис. З-Ю) состоит из корпуса 1, ведущего 3 и ведо-
мого 2 роторов с зубчато-винтовыми лопастями, шестерен синхронизирующей
связи 4. Роторы вращаются в противоположных направлениях. Окна для вса-
сывания и выталкивания газа расположены в противоположных углах корпу-
са. При вращении роторов газ из всасывающего окна поступает во впадины
роторов. При дальнейшем вращении 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 впрыскивания в рабочие полости роторов масла или другой
жидкости, 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 отношениями давлений в компрессоре соответственно 4 и 15. Произ-
водительность может достигать 10 м3/с. Частота вращения роторов находится
в пределах (1000... 10000) об/мин, окружные скорости превышают 150 м/с.
Достоинства винтовых компрессоров: равномерность 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 машин.
Винтовые компрессоры используются в низкотемпературных холодиль-
ных установках, так как они имеют низкий предел давления всасывания
(5... 2 кПа). Из-за низкой скорости и плавности потока вдоль роторов эти
компрессоры применимы также в теплонасосных установках (см. раздел 4.10)
для сжатия влажного пара; возможность сжатия влажного пара позволяет обхо-
диться при больших отношениях давлений в компрессоре без промежуточного
охлаждения.
Сжатие и расширение газов ❖ 107
Все роторные компрессоры применяются при средних подачах и низких
давлениях. Сухие роторные компрессоры работают без внутренней смазки и,
следовательно, не загрязняют 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. Турбокомпрессоры
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 1 с лопатками 4 и диффузор 2 (рис. 3-116). 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 рис. 3-11 д.
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. 3-11а).
При работе одного колеса с направляющим аппаратом, образующих
ступень центробежного компрессора, отношение давлений в ступени 0 =
= (1.6... 2,0). Значение величины 0 зависит от размеров и формы колеса
и диффузора, а также от частоты вращения колеса. Для увеличения отношения
давлений в компрессоре размещают несколько колес на одном валу в общем
кожухе машины. В этом случае по выходе из системы диффузоров 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. 3-11а). 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 О ГлаваЗ
в г
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 Ф- 109
На практике встречаются различные варианты расположения рабочих ко-
лес в кожухе машины. На рис. 3-11в показано всасывание газа с одного
конца 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 р2 (или отношения
давлений в компрессоре), мощности на
валу NB и КПД т/ от объемной производи-
тельности V компрессора при постоянной
частоте вращения п рабочего колеса. Эти
характеристики строятся на основании ис-
пытания машины. Кривая зависимости р2
от Г (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-
сыванием газа из сети на всасывание.
На кривой зависимости р от V имеет-
Рис. 3-12. Характеристики центробеж-
ного компрессора.
ся экстремальная точка, соответствующая
конкретной паре значений р2 и V, при которых машина работает с максималь-
ным КПД р = ртм.
Рабочая точка машины — это ее характеристики при соответствии раз-
виваемого машиной давления р2 гидравлическому сопротивлению сети рСети,
в которую машина подает сжатый газ. На рис. 3-12 это точка А, мощность на
ПО ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава?
валу компрессора при этом NbA, производительность компрессора V'A, КПД qA.
Желательно, чтобы в рабочей точке КПД машины был максимальным.
На одном графике могут быть даны характеристики для одной или несколь-
ких частот вращения п одной машины. Такое семейство кривых называется
универсальной характеристикой машины. Пересчет характеристик центробеж-
ных компрессоров производится по законам пропорциональности:
2. = L = (L У _ fAiV (3 171
п> V, \pj \N.J '
Достоинствами центробежных компрессоров по сравнению с поршневыми яв-
ляются их простое устройство и надежность действия, компактность, меньший
вес и занимаемая площадь, 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 КПД машины
снижается, возможно попадание в область помпажа (см. рис. 3-12).
3.1.11. Осевые компрессоры
Осевой компрессор — это турбокомпрессор, в котором поток во вращающих-
ся решетках лопаток в меридиональной плоскости имеет в основном осевое
направление.
Область применения осевых компрессоров ограничивается объемной про-
изводительностью, которая превышает 4 м3/с, а верхний предел достигает зна-
чений 170 м3/с. По отношению давлений в компрессоре они являются маши-
нами низкого давления и в виду этого не имеют охлаждения. Им присуши
все достоинства центробежных компрессоров. Кроме того они имеют более
высокий термодинамический КПД, который составляет т/ад = (0,90.. .0,92).
Основными частями осевого компрессора (рис. 3-13) являются ротор 1 с ра-
бочими лопатками 2 и корпус 4, к внутренней поверхности которого прикреп-
лены направляющие лопатки 3 и 5. Лопатки ротора являются как бы частью
винтовой поверхности, а окружающий 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 направляющих
лопаток 3 образует одну ступень. Кинетическая энергия, сообщаемая газу
вращающимися рабочими лопатками 2, превращается при проходе газа через
направляющие лопатки 3 в энергию давления. Газ входит в компрессор через
патрубок 6, закручивается лопатками 5, проходит вдоль оси последовательно
Сжатие и расширение газов ❖ 111
Рис. 3-13. Осевой компрессор.
через все ступени и, сжатый до требуемого конечного давления, уходит через
патрубок 7 в напорный газопровод. Отношение давлений в одной ступени
обычно не превышает 1,15... 1,20, поэтому для достижения более высокого
отношения давлений осевые компрессоры имеют большое число ступеней (до
20). При этом окружная скорость ротора доходит до 400 м/с. Привод осевых
компрессоров осуществляется от паровых или газовых турбин со скоростью
вращения (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 три — четыре последние ступени осевого компрессора заменяются
одной центробежной ступенью.
3.1.12. Охлаждение компрессоров
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 быть не выше
170°C. 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 ❖ Глава5
охлаждения компрессора должна иметь видимый контроль подачи воды ко всем
охлаждаемым частям машины или быть оборудована автоматической сигнали-
зацией.
Температура сжатого воздуха после охлаждения в промежуточном охла-
дителе не должна превышать температуру охлаждающей воды более чем на
(12... 15) К. Температура нагретой воды после охлаждения компрессора не
должна превышать 40 °C. Нормальный нагрев (перепад температуры) охлажда-
ющей воды (10... 15) К. Температуру охлаждающей воды следует измерять до
и после каждой охлаждаемой части компрессора.
Вода, применяемая для охлаждения компрессоров, не должна содержать
механических примесей (ил, песок и т.п.), и иметь жесткость не более
7 мк-экв/л.
По технологическому признаку различают прямоточную и циркуляцион-
ную схемы охлаждения компрессоров. Прямоточную схему применяют только
в тех районах, где есть источники воды, отвечающей вышеприведенным требо-
ваниям. В такой схеме нагретая вода сливается в канализацию или использу-
ется для бытовых нужд. Циркуляционные (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
теплообменники, 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. Однако 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. Применение комбинированных
воздушно-водяных систем охлаждения позволяет значительно сократить расход
воды, повысить экономичность и безопасность производства сжатого газа.
Сжатие и расширение газов ❖ 113
3.1.13. Регулирование объемной производительности
компрессоров
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 регулирование давле-
ния часто сводится к регулированию объемной производительности.
Один из простых и экономичных способов — периодические остановки
компрессора. Применение этого способа возможно только тогда, когда про-
изводительность компрессора значительно выше расхода газа. 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 износ некоторых деталей компрессора из-за
частых остановок и пусков; резкое возрастание потребляемой электроэнергии
в пусковые моменты, что ограничивает применение этого способа мощностью
на валу компрессора до 200 кВт. В случае одновременной работы группы ком-
прессоров отключают часть из них.
Более совершенным является способ регулирования объемной производи-
тельности компрессора путем изменения частоты вращения привода. При этом
обеспечивается плавное изменение объемной производительности 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 пом-
пажный 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 ❖ ГлаваЗ
собе возможен подсос в компрессор смазочных масел и атмосферного воздуха,
что не всегда допустимо, в частности из-за образования взрывоопасных смесей.
При постоянном отношении давлений в компрессоре (в лопастных компрес-
сорах) этот способ приведет к понижению давления нагнетания, мощность на
валу машины уменьшится, 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-
сывающий, но это наименее экономичный способ, поскольку при этом теря-
ется энергия, затраченная на сжатие возвращаемого количества газа. В случае
многоступенчатых компрессоров относительная потеря энергии может быть
значительно понижена (пропорционально числу ступеней), если перепускать
газ не после последней, а лишь после первой ступени. При этом, однако, меж-
ступенчатые давления понизятся и отношение 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 воздей-
ствия на клапаны. Если в период нагнетания газа воспрепятствовать закрытию
всасывающего клапана, то газ из рабочей полости перепускается во всасы-
Рис. 3-14. Индикаторная диаграмма
поршневого компрессора с дополни-
тельным вредным пространством.
На рис. 3-14 показано изменение
вающий патрубок. Возможен полный от-
жим клапанов, частичный отжим и от-
жим клапанов на части хода поршня.
Два последних варианта позволяют 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 экономичным, простым
и надежным способом регулирования
объемной производительности порш-
невых компрессоров является при-
соединение к цилиндру компрессора
дополнительных вредных пространств,
индикаторной диаграммы (изображена
сплошными линиями) после присоединения к нормальному объему вредного
пространства VM увеличенного объема Умд (вид диаграммы до присоединения
Сжатие и расширение газов 4- 115
Гчд изображен пунктирными линиями). Вследствие увеличения мертвого
пространства всасывание газа будет происходить не на пути У'вс, а на меньшем
пути VBM, т.е. уменьшится производительность компрессора без заметного
увеличения удельного расхода энергии и изменения отношения давлений.
В случае многоступенчатого компрессора сохранится та же картина, если
дополнительное вредное пространство будет присоеденено во всех ступенях.
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. Мощность компрессорного агрегата
Внутренняя моищость компрессора N, Вт, это мощность, затрачиваемая
компрессором на сжатие газа, за вычетом мощности утечек. Она определяется
как произведение массового расхода газа на выходе из компрессора т, кг/с, на
удельную работу компрессора I, Дж/кг, с учетом термодинамического КПД ту.
N = —. (3.18)
Массовый расход газа, подаваемого компрессором в сеть: т = piV, где pi —
плотность газа при условиях всасывания; V — объемный расход газа, на вы-
ходе из компрессора, указываемый в каталогах при условиях всасывания, т.е.
приведенный к условиям всасывания.
При расчете мощности на валу компрессора следует учитывать: затраты
мощности на преодоление механического трения в компрессоре с помощью
механического КПД 7jMex; мощность, теряемую в результате утечек газа из
компрессора, которые учитывает коэффициент производительности 7v- Обычно
•I = (0,90... 0,98)7нап- В результате
NB =
ml
Т]У\'Г)мек'
(3.19)
Для поршневых компрессоров т/мех = (0,85...0,95); для центробежных г)мех =
= (0,97.. .0,98).
Мощность на валу приводного двигателя компрессора (мощность двигателя
компрессора) увеличивается из-за потерь мощности в устройствах передачи
движения от приводного двигателя к компрессору:
Мш = (3.20)
^Удв^пер
где 1/дв и т/пер — КПД привода и передачи соответственно; — коэффициент
запаса, принимаемый обычно 1,10... 1,15.
Произведение всех коэффициентов полезного действия называют КПД
компрессора:
^У^мехТ/дв^пер — ^Укм-
116 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава:!
Тогда
дгдв = (3.21)
^КМ
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. Компрессорные станции
На предприятиях для получения сжатого воздуха оборудованы
специальные производственные участки — станции, обычно раз-
мещенные в отдельном здании. Эти станции кроме компрессоров
с приводом (компрессорного агрегата) имеют дополнительные систе-
мы, обеспечивающие 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-измерительные приборы; трубопроводы,
воздухосборники.
На рис. 3-15 дана схема оборудования компрессорной станции. (На рисунке
не показаны аппараты, работающие в стадии регенерации.) Наружный воз-
дух 1 поступает через обрешеченный проем во всасывающую камеру, кото-
рая должна располагаться с теневой стороны здания. В помещении всасыва-
ющей камеры устанавливается воздушный фильтр ФП1. При запыленности
Рис. 3-15. Компрессорная станция.
Сжатие и расширение газов ❖ 117
воздуха до 10мг/м3 чаще всего используются масляные самоочищающиеся
фильтры.
Очищенный от пыли воздух поступает на сжатие в компрессор. При мно-
гоступенчатом сжатии между ступенями КМ1, КМ2 и т.д. устанавливаются
промежуточные охладители воздуха, например, водяные теплообменники Т1.
После последней ступени воздух должен охлаждаться в концевом охладителе
Т2 до температуры +(20... 25) °C.
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 ВМФ, который состоит из двух поочередно работающих башен,
заполненных очищающей массой, например коксовым орешком. В то время,
когда воздух очищается в одном фильтре, очищающая 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 производительно-
сти компрессора. Ресиверы обычно размещаются 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 из них.
Наличие охлаждающей воды в системе охлаждения обязательно контролирует-
ся по сливу воды в сливные воронки на сбросном коллекторе или системой
автоматики.
Технико-экономическими показателями работы компрессорных станций яв-
ляются удельная мощность, т. е. расход энергии в единицу времени на выработ-
ку одного кубометра сжатого 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. Фактиче-
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 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА -Ф- Глава.
тивно-хозяйственные расходы, на текущий ремонт оборудования, на потреб
ленную энергию. В себестоимости сжатого воздуха (70...85)% приходится н<
потребленную энергию.
3.2. ПОЛУЧЕНИЕ ВАКУУМА
3.2.1. Общие сведения
Многие процессы в химических технологиях и биотехнологиях проводятся
при давлениях меньших атмосферного. Это диктуется во многих случаях
условиями протекания химических реакций, необходимостью понижения тем-
пературы кипения термолабильных жидкостей, возможностью использования
дешевых низкотемпературных теплоносителей, недопустимостью контакта
обрабатываемых веществ 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
понижения давления осуществляют фильтрование, перекачивание жидко-
стей.
Вакуумом называется состояние среды, абсолютное давление которой мень-
ше атмосферного. (Здесь и далее термины и определения, имеющиеся в ГОСТ
5197—85, даны по этому ГОСТу).
Понижение давления газа по сравнению с атмосферным (барометрическим)
давлением ратм характеризуется значением величины вакуума рвак (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.
Давление газа, оставшегося в откачиваемом объекте, называется остаточ-
ным, рост, или абсолютным, рабс:
Рост = Ратм ~ Рвак- (3.22)
Иногда пользуются понятием относительного вакуума, измеряемого в про-
центах:
А = — • 100. (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.
Основным критерием для характеристики вакуумного состояния газа
(степени вакуума) в откачиваемом объекте является критерий Кнудсена,
Кп, который равен отношению средней длины свободного пути молекул
Сжатие и расширение газов ❖ 119
Рост Рвак
о -о--- о—
0 /2
Ратм
Р
Рис. 3-16. Понятие вакуума и остаточного давления на шкале давления.
газа Л к линейному размеру d откачиваемого объекта, характерному для
рассматриваемого процесса:
_ Л
Кп —
d
Различается низкий вакуум, когда Кп 1, т. е. Л намного меньше
d, остаточное давление при этом составляет от 105 до 100 Па; сред-
ний вакуум, когда Кп = 1, т.е. Л ~ d, остаточное давление от 100
до 0,1 Па; высокий вакуум, Кп » 1, Л » d, остаточное давление от
0.1 до 10-5 Па; сверхвысокий вакуум при остаточном давлении менее
10-5 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. Вакуумная конденсация паров
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-р в области, прилегающей к тройной точке 0 (р0 = 610,8Па; to = 0,01 °C),
см. также рис. 1-1. На диаграмме нанесены кривые равновесия между жид-
костью и ее паром (ОК), между жидкостью и льдом (ОА) и между льдом
120 -О- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА -О- Глава3
Рис. 3-17. Схема диаграммы состояния
воды в координатах t - р.
жидкость охладится до температуры
процесс затвердевания, а вслед за ни!
и паром льда (ОВ). Непосредственно из
диаграммы видно, что если понижать
температуру пара при постоянном дав-
лении, значение которого меньше дав-
ления в тройной точке, то при дости-
жении кривой равновесия ОВ начнется
процесс перехода пара в твердое состо-
яние — процесс десублимации, с после-
дующим охлаждением льда (процесс 1-
2—3). Если же вести процесс охлажде-
ния пара (процесс 4—5) при давлении,
превышающем давление в тройной точ-
ке, то по достижении кривой равнове-
сия ОК пар будет сначала превращать-
ся в жидкость, и только тогда, когда
затвердевания (процесс 5—6), начнется
[ охлаждение льда (процесс 6—7).
Жидкостные конденсаторы. Различаются два основных типа жидкостных
конденсаторов — поверхностные и конденсаторы смешения. В поверхностных
конденсаторах пар превращается в жидкость, соприкасаясь с охлаждаемой по-
верхностью (чаще всего с поверхностью труб), через которую теплота конденса-
ции передается охлаждающему агенту. В конденсаторах смешения происходит
непосредственный контакт пара с охлаждающим агентом, подаваемым в виде
струи или пленки. Так конденсируются в основном водяные пары путем сме-
шения их с водой. В водяных струйных конденсаторах смешения водяная струя,
непосредственно соприкасаясь с паром, не только конденсирует последний, но
и одновременно удаляет из конденсатора воздух и другие неконденсирующиеся
газы, попадающие с паром, с охлаждающей водой и через неплотности в со-
единениях.
Поверхностные конденсаторы. К ним относятся конденсаторы с жидкост-
ным охлаждением (в частности с водяным охлаждением), которые могут быть
погружными или оросительными, и конденсаторы с воздушным охлаждением.
Для получения высокого коэффициента теплопередачи от конденсируемого
пара к охлаждающему агенту (хладоносителю) необходима интенсивная цирку-
ляция хладоносителя, быстрое удаление жидкого конденсата и возможно более
полное удаление неконденсирующихся газов.
Преимущества поверхностного конденсатора заключаются в том, что по-
лучающийся конденсат не загрязнен хладоносителем и может быть повторно
использован в производстве, производительность конденсатора можно менять,
регулируя расход хладоносителя. Охлаждение поверхностного конденсатора
можно производить любым хладоносителем, и, следовательно, производить
конденсацию пара при любой температуре. В качестве поверхностных конден-
Сжатие и 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 паров воды или малоценных
жидкостей. Тогда из аппарата выводится смесь образовавшегося конденсата
с водой. Конденсаторы смешения 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 неконденсирующимися
газами откачивается мокровоздушным насосом. В сухих конденсаторах вода
вместе с конденсатом стекает по трубе самотеком, а неконденсирующиеся
газы откачиваются из верхней части аппарата обычным
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 1 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 штуцер, расположенный в средней части аппарата,
а конденсат и вода удаляются в нижней части центро-
бежным водяным насосом.
вакуумным насосом.
Рис. 3-18. Мокрый пря-
моточный конденсатор.
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 7, 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 давле-
122 < ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА < Глава3
ние ниже атмосферного) от атмосферного давления в барометрическом ящике,
куда стекает конденсат с водой. Минимальное давление внутри конденсатора
может равняться давлению р8 насыщения пара при температуре охлаждающей
воды; тогда
Ps + Рь9% — Роты,
(3.24)
ускорение силы тяжести; Z — высота трубы:
где рв — плотность воды; д —
Рис. 3-19. Барометрический конден-
сатор.
Ратм — атмосферное давление. Если исполь-
зовать воду с наименьшей возможной тем-
пературой равной +4 °C, то ps = 813 Па, рв =
= 1000 кг/м3, тогда при ратм = Ю5 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 делают 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, составляющая 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,
что корродирующие пары могут конденси-
роваться, не разрушая стенок конденсатора,
т. е. не требуется применение специальных
химически стойких материалов.
Подаваемая под давлением вода 1 заполняет
пространство 2. Специальным устройством 3 формируются многочисленные
струи 4, на поверхности которых конденсируется поступающий пар 5. Смесь
воды и конденсата пара по барометрической трубе 6 стекает в барометрический
ящик 7, из которого удаляется при атмосферном давлении.
К недостаткам струйного конденсатора, как и других конденсаторов сме-
шения, относятся: большой объем охлаждающей воды, необходимость доведе-
ния давления охлаждающей воды, конденсата и неконденсирующихся 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):
"Ь — (Шп "Ь ^в)^КОНД>
(3.25)
где тп, тв — расходы пара и воды; Дп, hB, ДКОНд — 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:
^конд
^КОНД ~ hB
ШВ _ (^ПСВ Н~ г) — fКОНДОВ
^кондсв “ £всв
_ (^п ^конд)св + Г
тп св(^конд — ^в)
(3.26)
(3.27)
где tn. iB, *конд — температуры поступающих пара и воды и отводимой смеси
конденсата пара с водой, °C; св — теплоемкость воды, Дж/(кг-К); г — теплота
конденсации пара (Дж/кг) при tn.
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
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 ЗК. 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 £Конд. С целью достижения более глубокого
вакуума создаваемого барометрическим конденсато-
ром, необходимо понизить £Конд, а следовательно уве-
личить расход воды.
Эксергетический баланс конденсатора — это ба-
ланс при смешении потоков (см. раздел 2.3.2).
Кроме затрат на охлаждающую воду при работе
барометрического конденсатора имеются затраты на
Рис. 3-20. Струйный баро-
метрический конденсатор.
вакуум-насос, сжимаю-
щий неконденсирующиеся газы. Чем больше газов натекает через неплотности,
а также выделяется из пара и из воды, тем больше затраты на вакуум-насос.
124 -Ф- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава?
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:
тю = [0,025(mB + тп) + 10тп] • Ю-3. (3.28)
Объем воздуха, который необходимо отсасывать, м3/с:
= твз-^Гвз, (3.29)
Рп-Рв
где Явз = 287Дж/(кг-К) — газовая постоянная воздуха; Тю — температура
воздуха, К, откачиваемого из барометрического конденсатора; рп — давление
в барометрическом конденсаторе, Па; ps — давление насыщенного водяного
пара, Па, при температуре воздуха Твз- По приближенной эмпирической фор-
муле:
Твз = 273 + [« + 0,1(инд-«в)+4]. (3.30)
Чем меньше натекание газов в вакуумную систему, и чем ниже вакуум, тем
меньше затраты на вакуум-насос.
Пример 3.2. Для создания вакуума рвак = 80 кПа в установке, выделяющей 1 кг/с
водяного пара, используется барометрический конденсатор. Температура подава-
емой воды 20 °C. Рассчитать эксергетический КПД барометрического конденса-
тора. Сравнить затраты эксергии в барометрическом конденсаторе с затратами
эксергии на адиабатное сжатие пара до атмосферного давления.
Решение. Остаточное давление в конденсаторе рассчитывается по уравне-
нию (3.22)
Рост = юо - 80 = 20 кПа = 2 • 104 Па.
При этом давлении температура насыщения водяного пара t„ = ta = 60,1 °C,
энтальпия водяного пара Лп=2609,6 кДж/кг; энтропия пара зп=7,91 кДжДкг-К),
энтальпия конденсата пара Лкп = 251,46 кДж/кг, энтропия конденсата пара
«кп = 0,83кДж/(кг-К), теплота конденсации г = -2358,1 кДж/кг, удельный объ-
ем конденсата г>кп = 0,001 м3/кг (см. приложения 2 и 3). Примем температуру
отводимой смеси конденсата с водой tK0M = tn - 3 = 60,1 - 3 = 57,1 °C. При этой
температуре и атмосферном давлении рК0Нд = 100 кПа, Лконд = 239,0 кДж/кг,
«конд = 0,79кДж/(кг К). При давлении в барометрическом конденсаторе рост =
= 20 кПа и температуре воды tB = 20 °C: hB = 83,9 кДж/кг, sB = 0,30кДж/(кг
•К) (см. прил. 3). Удельный расход воды в конденсаторе рассчитывается по
формуле (3.26)
тв
тП
2609,6 - 239,0
239,0 - 83,9
= 15,3 кг/кг.
ТПп = 1 кг/с,
тв — • 15,3 — 15,3 кг/с.
Сжатие и расширение газов ❖ 125
пара-
мос =
Массовый расход отводимой смеси конденсата с водой:
тв + тп = 15,3 4-1 = 16,3 кг/с.
Эксергия поступающей воды равна нулю Ев = 0, так как tB = toe- При
метрах окружающей среды рос = ратм = 100 кПа и toe = 20 °C для воды
= 84кДж/кг и «ос = 0,30кДж/(кг-К) (см. прил. 3).
Удельные эксергии потоков пара и смеси конденсата с водой рассчитыва-
ются по формуле (2.12)
еп = (2609,6 - 84,0) - 293(7,91 - 0,30) = 296,0 кДж/кг,
еКОНд = (239,0 - 84,0) - 293(0,79 - 0,30) = 11,4 кДж/кг.
В конденсатор поступает 1 кг/с пара, поэтому эксергия потока пара Еп = еп =
= 296,0 кВт.
Эксергия потока отходящей смеси конденсата с водой:
^конд = ^конд(^т1в + шп) — 11,4 * 16,3 — 185,8 кВт.
Эксергический КПД процесса в барометрическом конденсаторе, если целью
считать отводимую смесь конденсата с водой:
__ ^конд
Еп + Ев’
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 sn=7,91 кДж/(кг • К) =
= const, в конце сжатия при р = 100 кПа, h = 2914,7, t = 220 °C (см. прил. 3).
Работа сжатия рассчитывается по формуле (3.4)
I = h - hn = 2914,7 - 2609,6 = 305,1 кДж/кг.
Эксергия пара после сжатия:
е'п = (2914,7 - 84,0) - 293(7,91 - 0,30) = 601,0 кДж/кг.
Изменение эксергии пара в процессе сжатия:
Д^-П
Деп = 601,0 - 296,0 = 305,0 кДж/кг.
Эксергический КПД для рассматриваемого процесса
_ Деп ____________________________ 305,0 _п 51
“ / +Деп “ 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
t = 220 °C. Смесь же конденсата пара с водой после барометрического конден-
сатора имеет «конд = 57,1 °C. Такая смесь обычно не используется, а сливается
126 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава !
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 £КОНд как можно большей, для возможности
использования эксергии отводимой смеси воды с конденсатом.
Сублимационные конденсаторы. Для конденсации паров при давлении
и температуре меньших, чем в тройной точке вещества, необходимы
специальные конденсаторы, в которых вещество из парообразного состояния
переходит в твердое — сублимационные конденсаторы. Такие конденсаторы
применяются в сублимационных сушильных установках для консервирования
кровяной плазмы, сушки антибиотиков, эндокринного, ферментного сырья
и др. Конструкции 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 устанавливают два сублимаци-
онных конденсатора, один из которых работает, а другой подвергается оттаи-
ванию.
При среднем вакууме и в случае конденсирования больших количеств водя-
ного пара экономически целесообразнее применение скребковых конденсато-
ров, в которых непрерывное удаление льда дает эффективную конденсацию на
всех стадиях рабочего цикла. В этом случае оправдан дополнительный расход
энергии на удаление льда и наличие специальных 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 помешаются внутри вакуумной
системы, где находится испаряемое вещество.
3.2.3. Характерные параметры вакуумных систем
Рассмотрим систему (рис. 3-21), состоящую из вакуум-насоса ВН, трубо-
провода ТБ, откачиваемого объекта ОБ и вакуумметров, позволяющих опре-
делить давления в объекте роб, в трубопроводе р^, 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
pV = mRT = пКТ,
где V — объемный расход газа, проходящий через любое сечение системы, м3/с;
р — давление газа в этом сечении, Па; R — газовая постоянная, Дж/(кг-К); п -
число молекул, проходящих через сечение в единицу времени; К — постоянная
Больцмана; Т — абсолютная температура, К.
Сжатие и расширение газов ❖ 127
Рис. 3-21. Распределение
давлений в системе объект -
вакуумный насос.
В вакуумной технике принято использовать 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 = pV, Пам3/с = Вт. (3.31)
В рассматриваемой системе (рис. 3-21) давление
изменяется: рвн / / роб, соответственно из-
меняются и объемные расходы: VBH Кб / Кб»
однако поток газа остается постоянным:
Q = РвнКн = РтбКб = РобКб = пКТ. (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 се-
чение в единицу времени.
В литературе по вакуумной технике часто поль-
зуются терминами «быстрота действия», «быстрота откачки» вместо объемного
расхода, обозначая их буквой «5» и измеряя в литрах в секунду, л/с (в данном
разделе 3.2 буквой S 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, SBH — это величина, характеризу-
ющаяся быстротой откачки, получаемой во входном сечении насоса (сечение
а-а на рис.3-21) при его работе, т.е. SBH = Q/ptm-
Быстрота (скорость) откачки объекта, 5Об — это объемный расход газа,
удаляемый из объекта при давлении рОб (сечение b—Ь на рис.3-21), т.е. 5Об =
- Q/Роб-
Коэффициент использования насоса
а
¥>вн = (3.33)
‘Эвн
Наибольшее давление запуска вакуумного насоса — это наибольшее давление во
входном сечении вакуумного насоса, при котором насос может начать работать.
Наибольшее выпускное давление 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: рвып = Ратм; насосы, требующие
предварительного разряжения: рвып < раТм; насосы, в которых откачиваемый газ
не выводится наружу, а связывается внутри самого насоса.
128 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О- Глава?
Максимально допустимым выпускным давлением называется такое, которое
превышает нормальное не более чем на 10%.
Выпускное давление срыва соответствует повышению 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 наименьшее давление во вход-
ном сечении насоса, при котором насос длительное время сохраняет номи-
нальную быстроту действия.
Естественно, что вакуум-насос следует использовать при давлениях боль-
ших наименьшего, но меньших наибольшего 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, заполняющих откачиваемые объекты, приходит-
ся удалять газы, попадающие 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 насыщения
газами; оно пропорционально площади поверхности тел, резко увеличивается
с увеличением температуры и постепенно замедляется с течением времени.
Проводимость вакуумной системы, U, характеризуется расходом газа межд)
вакуумным насосом и откачиваемым объектом при разности давлений межд)
ними равной единице (в данном разделе 3.2 буквой U обозначена проводимость
вакуумной системы, а не внутренняя энергия).
U =---------. (3.34)
Роб Рвн
Тогда:
Q _ Q _ ^(Роб-Рвн)
*~>BH — — ,
Рвн Рвн
q Q U (Роб — Рвн)
^об = --- — -----------•
Роб Роб
Из этих уравнений обратные величины:
1 _ Рвн
^ВН U • (Роб — Рвн)
1 _ Роб
^об U • (Роб ~ Рвн)
Вычтем из второго выражения первое и после преобразования получим:
Сжатие и расширение газов 129
Это выражение является основным уравнением вакуумной техники. Из уравнения
(3.35) получается:
s°' = <3'36>
Анализ уравнения (3.36) показывает, что если быстрота действия насоса со-
ответствует проводимости вакуумной системы, т.е. SBH = U, то быстрота от-
качки объекта SO6 = 0,5SBH; если проводимость вакуумной системы велика, т.е.
U ч оо, то 5об -> SBH; если проводимость вакуумной системы низкая, т. е. U -> О,
то скорость откачки объекта So6 -> 0.
Коэффициент использования вакуумного насоса зависит от проводимости
вакуумной системы, согласно уравнениям (3.33) и (3.36)
_ 5об _ U
*’вн sBH sBH + t/‘
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 U с целью увеличения <рвн.
3.2.4. Продолжительность откачки вакуумной системы
Во время откачки газов из объекта в нем непрерывно изменяется давле-
ние Роб. Необходимо учитывать остаточное давление рост, до которого необхо-
димо производить откачку газа из объекта. Значение величины рост зависит от
типа применяемого ВН и от натекания фост во всей системе при этом давлении.
Рассмотрим случай, когда откачка из объекта происходит при постоянной
быстроте действия насоса SBH = const, бесконечно большой проводимости тру-
бопроводов U -> оо и пренебрежимо малом давлении р^ = рост -» 0. При таких
допущениях So6 = 5ВН (см. формулу 3.36), и полученные результаты одинаково
применимы как для вязкостного, так и для молекулярного режима.
Обозначим: общий объем газа, который необходимо удалить из объекта,
Гг, время откачки г.
В данном случае поток газа Q может быть выражен следующим образом:
Q = Роб^об = Роб^вн
или также, согласно уравнению (3.31):
п _ djpo^Vy) _ Vy dpo/p
dr dr
Тогда
„ с _ W Фоб
Роб^вн — 3 >
5-4675
130 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ ГлаваЗ
откуда
, Vv dpoQ
dT = ' Т- •
*^вн Роб
После интегрирования
т=-^.1п-^-, (3.37)
*Ьвн Роб
где р — давление в объекте при т = 0 (в большинстве случаев под р понимают
атмосферное давление).
Время, необходимое для того, чтобы давление уменьшилось вдвое:
то,5 = ~ In 2 = 0,69^.
*^ВН *^вн
Время, необходимое для уменьшения давления в 10 раз:
т011 = In 10 = 2,3^.
*^ВН *^вн
Если откачка из объекта происходит до остаточного давления отличного от
нуля, рост / 0, при этом остальные допущения остаются теми же: SBH = const.
U -> оо, т.е. So6 = SBH, то при достижении давления Рост в системе существует
поток газа:
Qocr — Рост>$вн- (3.38)
Таким образом, во время откачки следует принимать во внимание только поток
Q ~ Роб^вн ~ Qocr-
С другой стороны
п _ VydpoQ
4 ~ dr
Тогда
Роб5вн-Сост = -^^
или
а ( QoctA
*^ВН I Роб Q I — “
\ *^BH /
Но, согласно уравнению (3.38):
Qoct
Q — Рост»
Уу dpob
dr
тогда
dr =
_Vvl
5,
ат
dpo6
'bhJ L Роб-Рост.
После интегрирования
Уу . Р ~ Рост
Т = •1п--------,
Эвн Роб ~ Рост
где р — давление в объекте при т = 0, т. е. в начале откачки.
Сжатие и расширение газов Ф 131
Пример 3.3. В системе аппаратов общей емкостью 50 л/3 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
с _ уУ 1г1 Р
5вн — ’ >
Т Роб
где Vv = 50 м3 — емкость вакуумируемой системы, г = 20 мин. — продолжи-
тельность откачки, р/роб = 10-
50
5вн = ™ In 10 = 5,8 м3/мин.
3.2.5. Газоперекачивающие механические вакуумные насосы
Газоперекачивающими механическими вакуумными насосами 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 перемещается к выходу. 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 непрерывнодействующих аппаратов поток таких газов не из-
меняется во времени. Мощность на валу вакуум-насоса также постоянна во
времени и определяется по формулам, приведенным ранее для компрессоров,
причем т/мех = 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, pi = рвн> до давления выпуска,
ft = Рвып• В данном случае рассчитывается удельная работа /ад для одного
кубометра газа, поступающего в вакуумный насос (здесь и до конца раздела
3.2 работа вакуумного насоса обозначена буквой /):
к
/ГЛРвн
ад —
fe-l
Рвып \ к _ |
Рвн /
(3.39)
132 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава?
При Рвн = 0 и рвн = Рвып получается l№ = 0, поэтому существует, очевид-
но, некоторое промежуточное давление рвн, соответствующее максимальной
удельной работе, которое можно определить, продифференциировав уравнение
(3.39) и приравняв производную нулю. В результате:
= (3.40)
Рвн
Так для воздуха при k = 1,40 максимальная удельная работа соответствует
степени сжатия рвып/Рвн = 3,3 или рвн = 30,3кПа (если рвып = ЮОкПа). При
степенях сжатия меньше или больше 3,3 удельная работа падает, достигая нуля
При рВып/Рвн = 1 И При рвн = 0.
Мощность двигателя сухого вакуумного насоса подбирается аналогично
мощности компрессоров, с учетом максимальной работы сжатия, рассчиты-
ваемой при соотношении 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:
(3.411
Рвн
где р8 — парциальное давление, Па, пара откачиваемой жидкости, которое за-
висит только от температуры; рвн — парциальное давление, Па, откачиваемого
газа; рвып — давление, Па, выпуска газа. Работа мокрого ВН максимальна при
(Рвып — Р«)/РвН = 2,71.
Мощность, Вт, на валу мокрого вакуум-насоса складывается из мощности,
затрачиваемой на откачивание жидкости, и мощности на изотермное сжатие
газа:
(Рвып — Рвн) + РвнЗ'вн 1П
№ =------------------------------, (3.421
Р^Рмех
где W — расход откачиваемой жидкости, м3/с; VBH — расход откачиваемого
газа при условиях всасывания в вакуум-насос, м3/с; r?t и рМех — изотермный
и механический КПД насоса.
Еще одним отличием механических ВН от компрессоров 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 коэффициент
объемного наполнения (см. раздел 3.1.4). Для повышения последнего вакуум-
насосы многих типов снабжают так называемыми перепускными устройствами
различных конструкций, выравнивающими давления по обе стороны поршня
в конце его хода. Одним из таких устройств являются перепускные каналы
Сжатие и расширение газов ❖ 133
а
б
Рис. 3-22. Схема цилиндра поршневого ВН с перепускными каналами (а) и процессы в нем
на р - Уц диаграмме (б).
134 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава?
КН в цилиндре машины (рис. 3-22а). При отсутствии этих каналов остаток
сжатого газа из мертвого пространства, имея давление рвып, расширяется по
мере движения поршня слева направо до давления всасывания рВн (кривая DA
на рис. 3-226) и 7нап = Увс/Упол- В вакуумных насосах с перепускными каналами,
когда поршень приходит в левое крайнее положение, этот же остаток газа
перетекает по левым каналам КН в правую полость цилиндра, где давление
равно рвн (это положение поршня изображено на рис. 3-22а). При перетекании
газа давление во вредном пространстве падает от рВЫп до р по линии /)Д.
а затем, при движении поршня вправо, остаток газа расширяется по кривой
DMi и всасывание (процесс AiB) начинается почти в самом начале хода
поршня, объем всасываемого газа увеличивается до Vbci и 7Hani = Увсх/Кол >
> 7нап- Аналогично протекает процесс по правую сторону поршня, т.е. при его
ходе справа налево. В результате удается повысить коэффициент объемного
наполнения до 0,8... 0,9.
Наличие вредного пространства, конструктивно неизбежного, 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 поршня, изготавливаются
трех типов: с клапанным и комбинированным распределением и выравнива-
нием давления (тип ВНК-М), с принудительным распределением одноступен-
чатые (тип ВНП) и с принудительным распределением двухступенчатые (тип
ДВНП). Насосы ВНП и ДВНП предназначены для откачки газов, не содер-
жащих механических примесей и капельной влаги, т.е. сухих газов. Насосы
ВНК-М являются «мокрыми», так как предназначены для откачки паров из
вакуумируемых объектов с предварительной конденсацией их в конденсаторе,
т.е. практически откачивают газожидкостную смесь. В условное обозначение
этих насосов добавлена буква М.
По расположению рабочих цилиндров поршневые вакуум-насосы делятся
на горизонтальные и веритикальные.
Разрежение, создаваемое поршневыми вакуум-насосами, зависит главным
образом от уплотнения поршня 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 ДВНП - 40 Па.
Поршневые вакуум-насосы имеют установленную мощность 0,1 кВт на 1 л/с
откачиваемого газа, но обладают относительно низкой быстротой действия
(10... 100л/с) и имеют те же недостатки, что и поршневые компрессоры.
Поэтому, где возможно, им предпочитают вращательные вакуумные насосы,
в которых сжатие и выброс газа осуществляются в результате вращения ротора.
Сжатие и расширение газов 4- 135
Рис. 3-23. Водокольцевой вакуумный насос.
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/мин (т. е. 10;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 вакуум-
насосах, 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
жидкостно-кольцевые вакуумные насосы, в частности водокольцевые вакуум-
насосы, 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 вращающееся 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 ❖ Глава !
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 машины. На протяжении второго полуоборота ротора
(вправо от вертикальной оси) свободное пространство уменьшается 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. Процесс сжатия в них газа протекает изотермно, интенсивный
теплообмен позволяет откачивать легко разлагающиеся, полимеризующиеся,
воспламеняющиеся и взрывоопасные газы, а так же газы с парами капельной
жидкости и даже твердыми инородными включениями. Однако создаваемое
ими разрежение зависит от температуры воды в насосе: чем ниже температура,
тем ниже остаточное давление. Предельное остаточное давление, создаваемое
этими насосами, 2 • 103 Па. Быстрота действия ВВН изменяется в пределах
(0,75...300)м3/мин, т.е. (12...5000)л/с. Установленная мощность составляет
(0,11...0,22)кВт на откачивание 1л/с газа, КПД не превышает (40...45$
в связи со значительным расходом энергии на вращение жидкостного кольиа.
Пример 3.4. Какое остаточное давление можно создать водокольцевым вакуум-
насосом, используя: оборотную воду с температурой te.o = 30 °C, речную — t„p-
= 20 °C, артезианскую — te.apm = Ю °C?
Решение. При «во = 30 °C давление насыщенных паров воды р8 = 4,24 кПа
(см. прил. 1), следовательно, на входе в водокольцевой вакуум-насос давление
будет рвн > 4,24 кПа. При £в.р = 20 °C, р8 = 2,34 кПа, рвн > 2,34 кПа. При £Варт =
= 10 °C, р8 = 1,23 кПа, рвн > 1,23 кПа.
Для создания большего разряжения используются вакуумные насосы с мас-
ляным уплотнением, внутреннее пространство которых залито маслом. Масло
создает хорошее уплотнение и уменьшает 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-роторные, пластинчато-статорные и плунжерные (золот-
никовые).
Пластинчато-роторные масляные вакуумные насосы (рис. 3-24) осуще-
ствляют сжатие откачиваемого газа с помощью ротора 5, установленного экс-
центрично в корпусе 3. Ротор имеет скользящие пластины 7, которые за счет
центробежной силы и пружины 6 плотно прижимаются к корпусу. При враще-
нии ротора образуют ячейки а и б переменного объема. Уменьшение объема
газа в ячейке б сопровождается повышением его давления. Сжатый газ выбра-
сывается через нагнетательный клапан 4. Всасывание газа происходит через
Сжатие и расширение газов 4- 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 пластинчато-статорных масляных
вакуумных насосах (рис. 3-25) с той разницей, что пластины перемещаются
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
Рис. 3-25. Пластинчато-статорный масля- Рис. 3-26. Плунжерный (золотниковый) мас-
ный вакуумный насос. ляный вакуумный насос.
138 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава
Выход
Рис. 3-27. Двухроторный вакуумный насос.
скользит в золотнике 7, колеблющимся в соответствующем гнезде статора 5
при вращении ротора 3. Такие вакуумные насосы и агрегаты называются также
золотниковыми (НВЗ и АВЗ). Одноступенчатые АВЗ и НВЗ создают предель-
ное остаточное давление 10 Па, двуступенчатые — 1 Па. Быстрота их действия
(20... 500) л/с.
Газ, поступающий в роторные масляные насосы, должен быть освобожден
от конденсирующихся паров, механических загрязнений и капель влаги.
Показатели работы роторных масляных насосов определяются прежде всего
качеством масла, которое сильно ухудшается при попадании в него влаги.
Это может происходить в результате повышения 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 ро-
торными вакуум-насосами составляет (0,11.. .0,15) кВт на 1л/с откачиваемого
газа. Расчет потребляемой мощности ведется по формулам для мокрых вакуум-
насосов.
Двухроторные вакуум-насосы (ДВН) представляют собой роторную машину
типа Руте (рис. 3-27). Рабочий орган такого насоса состоит из двух фигур-
ных поршней 3, вращающихся синхронно с частотой 1500 или 3000 об/мин.
Между вращающимися поршнями и между поршнями и стенками корпуса 1
предусмотрены небольшие зазоры, что исключает необходимость подачи смаз-
ки в проточную часть насоса. Каждый поршень 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 0,5 Па 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
I л/с откачиваемого газа.
3.2.6. Струйные вакуумные насосы
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)-103 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-
ному 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 рраб = (0,5... 1,5) МПа
подается в сопло СО, где его давление падает до рвн, а скорость возрастает
(до 1000 м/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 30 м/с. Таким образом, рраб > pBbin > Рвн- Степень сжатия подсасы-
140 •» ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава?
ваемого газа /3 = рвып/Рвн < (5... 10), поэтому, если рвып равно атмосферному
давлению, то рвн 104 Па.
Отношение расхода подсасываемого газа т2 к расходу рабочего пара mi
назвается коэффициентом инжекции
И = —. (3.43)
7П1
Коэффициент инжекции всегда меньше единицы И < 1.
Энергетический баланс процесса в струйном ВН описывается уравнением
(2.38):
mi/ii + тгЛг = (”ii + тг)/гз, (3.44)
где /ii, h2, /13 — удельные энтальпии соответственно потоков рабочего пара,
подсасываемого газа, выходящей из диффузора смеси.
Из уравнений (3.43 ) и (3.44) следует, что
И = ~-^3. (3.45)
Пз — П2
Коэффициент полезного действия есть отношение работы сжатия подсасывае-
мого газа к работе расширения рабочего пара
т? = И—(3.46)
Л1 — Пз
Этот коэффициент не превышает значений (15... 20)%.
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. Принципиальная схема водоструйного вакуум-насоса аналогична
пароструйному насосу, представленному на рис. 3-28.
Пренебрегая расходом отсасываемого газа, напишем уравнение расхода для
потока воды
W1/1 _ W3/3
Vi V3
где wi и w3 — скорость воды в сопле и в диффузоре, м/с; Л и /3 — площади
сечения сопла и диффузора, м; п и - удельные объемы жидкости в сопле
и в диффузоре, для капельной жидкости vi = v3 = v;
b-—>
где di и d3 — диаметры сопла и диффузора, м;
di 502 -10—6 1ОО .
wi = w3-4 = 2,7 • —я-« = 12,8 м/с.
232•10~в '
Сжатие и расширение газов ❖ 141
Из уравнения (1.59) для располагаемой работы потока:
о о Рвып
W3 “ W1 f ,
9 - - vdp,
£ J
Рви
так как v = const, то
w3 — W1 / \
— ^(Рвн ~~ Рвып)?
2
отсюда
w3 — W1
Рвн = ^2_±
i 2 2
1 W3 — WJ
* ь Рвып — P + Рвып?
V 2
где 1/v = p — плотность жидкости, для воды р = 1000 кг/м3; рвып = Ратм = Ю5 Па
о 722 — 12 822
Рвн = -2----—2------ 1000 + 105 = 21725 Па = 0,22 • 105 Па.
Создаваемое разряжение (вакуум)
Рвак = Ратм — Рвн = — 0,22 • 10^ = 0,78 • 10^ Па.
Для создания в объекте давления (2000... 100) Па применяются многосту-
пенчатые пароструйные ВН. При непосредственном последовательном соеди-
нении нескольких ступеней каждая последующая ступень должна отсасывать
и сжимать не только газы, засасываемые предыдущей ступенью, но и весь по-
даваемый на нее рабочий пар, количество которого в несколько раз превышает
количество отсасываемых газов. Поэтому во многоступенчатых пароструйных
ВН устанавливают промежуточные барометрические конденсаторы, в которых
рабочий пар предыдущих ступеней конденсируется с помощью воды. В резуль-
тате этого последующие ступени отсасывают и сжимают только неконденсиру-
юшиеся газы с незначительным остаточным содержанием водяного пара. Дав-
ление отсасываемых газов, проходящих цепочку последовательно соединенных
ступеней, повышается до давления достаточного для выброса этих газов из
последней ступени в атмосферу.
При конденсации рабочего водяного пара водой давление за ступенью
не может быть ниже давления насыщенного пара воды, подаваемой в баро-
метрический конденсатор. Так, например, при температуре воды (25... 30)°С
давление ее насыщенных паров составляет (3,2...4,2) • 103 Па (см. прил. 1).
Если в этой ступени газ сжимается в (5... 10) раз, то на входе в ступень не
может быть достигнуто давление меньше, чем (400... 800) Па. Чтобы создать
более глубокий вакуум на первых ступенях конденсаторы не устанавливаются.
При давлении меньше 500 Па ступени обогреваются во избежании обмерзания
(тройная точка воды соответствует давлению 610,8 Па и температуре 0,01 °C).
Схема пятиступенчатого пароструйного вакуум-насоса приведена на
рис.3-29, где I, II, III, IV, V — ступени струйного ВН; 1, 2, 3 — барометрические
конденсаторы. Давление на входе в первую ступень 133 Па.
Пароструйные ВН просты по конструкции и в обслуживании, компактны,
надежны й дешевы. Отсутствие движущихся частей позволяет применять их во
взрыво- и пожароопасных производствах, а также для откачивания парогазовых
142 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Глава?
Рис. 3-29. Пятиступенчатый струйный вакуумный насос.
смесей и запыленных газов. Все это актуально для биотехнологий, где такие ВН
применяются в процессах охлаждения, сушки, выпарки, перегонки и т.д.
Пример З.б. Для создания остаточного давления 133 Па 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 воЬ\
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 логарифмирования число ступеней должно быть
Z — In
1,06 -105
133
А=4’82-
1п4
Принимается z = 5, тогда отношение давлений в одной ступени
/? =
1
1,06-105 V
133
= 3,80.
Сжатие и расширение газов ❖ 143
Давление водяного пара и газов после четвертой ступени
Рост. 4 —
1,06 • 105
3,80
= 2,8 • 104 Па.
На барометрический конденсатор, установленный после этой ступени, необ-
ходимо подавать воду с температурой tB ниже соответствующей температуры
насыщения водяных паров. При давлении росТ.4 = 2,8 • 104 Па температура
насыщения водяных паров равна tg,4 = 67,55°C (см. прил. 2), т.е. «в,4 < 67,55°C.
После третьей ступени давление газов и паров рост.з = 2,8 • 104/3,80 =
= 7,37 103 Па, температура насыщения tg,3 = 39,5 °C, tB,3 < 39,5 °C.
После второй ступени: Рост.2 = 7,37 • 103/3,80 = 1,9 • 103 Па, tg 2 = 16,5 °C,
/В2<16,5°С.
После первой ступени: Рост.1 = 1,9 • 103/3,80 = 500 Па, водяной барометри-
ческий конденсатор не устанавливается, так как при этом давлении вода из
парообразного состояния переходит в твердое.
В вакуумируемом объекте = 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-
зжекторные 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) 1, 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 10~2 Па служат газоулавливаю-
щее 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!
Рис. 3-30. Диффузионно-эжекторный вакуумный насос.
энергоемкими аппаратами. Их устройство и принцип действия описаны в кни-
ге [4].
3.2.7. Вакуумные ловушки
Вакуумные ловушки предназначены для предотвращения проникновения
паров и газов из одной части вакуумной системы в другую или для снижения
их парциального давления.
В конденсационных вакуумных ловушках происходит конденсация паров
и газов на их внутренних охлаждаемых поверхностях. Для охлаждения таких
ловушек используются сжиженные газы или фреоны, циркулирующие от хо-
лодильных агрегатов. В них может происходить конденсация как в жидкость,
так и переход в твердое состояние в зависимости от свойств пара.
В сорбционных 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 ловушек может во много раз превы-
Сжатие и расширение газов ❖ 145
Рис. 3-31. Схема вакуумной установки.
шать скорость откачки как пароструйных, так и механических насосов. Можно
сказать, что ловушки являются вспомагательным средством для получения
высокого вакуума. Оптимальные решения конструкций находятся опытным
путем.
3.2.8. Вакуумные установки
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 ва-
куум-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
Ь/аперным вакуумным насосом.
146 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Глава !
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 ОБ устанавливается конденсатор К, в котором конденсируются пары,
выделяющиеся в объекте ОБ, конденсат паров (поток 7) в жидком или твердом
состоянии отводится из аппарата, а неконденсирующийся газ и несконденси-
ровавшаяся 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-
деляющиеся 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 машин для сжатия газов, как в компрессорах, так
и в вакуумных насосах, зависит от многих факторов, в первую очередь — это
энергозатраты, для снижения которых применяются нижеперечисленные меры.
1. Следует использовать машины с высокими механическими и термодина-
мическими коэффициентами полезного действия, с перепускными каналами
сжатого газа из мертвого пространства в пространство всасывания. Несмотря
на большую стоимость такой машины, затраты быстро окупаются в ходе ее
эксплуатации.
2. Машины должны быть хорошо охлаждаемыми (изотермными) и (или)
многоступенчатыми. Температура воды на выходе из устройств для охлаждения
газа должна быть ниже 40 °C, при этом разница между температурой воды
и температурой охлаждаемого газа должна быть не менее (12... 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 дополнительный расход электроэнергии на сжатие газа во второй
ступени примерно на 1%.
Сжатие и расширение газов ❖ 147
Недоохлаждение газа вызывается недостаточным расходом охлаждающей
воды, ее повышенной температурой, а также снижением интенсивности теп-
лообмена в охладителях за 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 затем в воздушном охладителе, либо только в воздушном (при
отключенном водяном охладителе), а в теплый период — сначала в воздушном,
азатем в водяном.
3. Утилизация теплоты охлаждающей воды увеличивает общий коэффи-
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 водокольцевые 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 газах 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
тазовых фильтров, которые должны регулярно 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 О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава3
9. При эксплуатации компрессорных и вакуумных установок необходимо
следить за исправностью машин, охладителей, трубопроводов и других аппара-
тов, комплектующих установку, контролировать давления и температуры, про-
водить смазку узлов, очистку фильтров 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. Основы теории расширения газов
В данном разделе рассматривается адиабатное расширение рабочего тела
при понижении давления. Расширение 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
внешней. Величина получается со знаком плюс, так как р2 < Pi и Л2 < М- Знак
плюс указывает на то, что работа отводится.
Расширение с отдачей внешней работы при температурах выше Тж, т.е.
в высокотемпературных процессах, предназначено для получения механиче-
ской или электрической работы. Машины для получения работы называются
двигателями. Двигатели, аналогично компрессорам, бывают объемного и ки-
нетического типа, последние называются турбинами.
На рис. 3-32 в е - h координатах в области р > Рос и Т > Тос показаны про-
цессы идеального адиабатного расширения 1—2 при si = s2 = const и реального
процесса 1—3, когда энтропия увеличивается, s3 > з2. В процессе 7—2 отводится
располагаемая (внешняя) работа Zi-2 = hi - h2. (В разделе 1 располагаемая
работа была обозначена 1Р). Эта работа получается за счет уменьшения эксергии
рабочего тела Aei~2 = ei - е2 = hi - h2 (так как з = const). Следовательно
эксергетический КПД этого процесса равен единице, т.е. 100%:
— — 1
%(1"2) " д^ - L
Для реального процесса 1—3: работа Zi-з = hi -h3; изменение эксергии Де^з =
= d - е3 = (Л1 - Л3) - Toc(si - «з). Эксергетический КПД реального процесса
меньше единицы:
^1-3 .
= st; < L
Сжатие и расширение газов 4- 149
Рис. 3-32. Изменение эксергии потока при расширении в области Т > Тж и р > рж.
Эксергетический КПД сравнивает два эффекта одного и того же реального
процесса, в идеале туе 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 7—2:
h-з
»7= ;—•
«1-2
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 Тос было рассмотрено в примере
1.19. Расчет изменения эксергии при дросселировании приведен в примере 2.3.
Использование дросселирования с целью снижения параметров, например гре-
ющего пара, ведет только к потерям эксергии, следовательно, с термодинами-
ческой точки зрения нежелателен.
На рис. 3-32 для сравнения показан процесс дросселирования 1—4, когда
уменьшение эксергии не дает положительного эффекта в виде работы /1_4 =
= ДЛ1-4 = 0, и, следовательно, вся израсходованная эксергия теряется, т. е.
КПД равен нулю.
Расширение рабочего тела при температурах ниже Тос используется для
понижения температуры рабочего тела.
Дросселирование при температурах ниже Тк позволяет снижать температуру
рабочего тела, т. е. увеличивать термическую составляющую ет его эксергии за
150 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Глава !
Рис. 3-33. Изменение составляющих эксергии потока при дросселировании в области
Т<Тос-
счет уменьшения деформационной составляющей ер. Изображение процесса
дросселирования в е - h координатах дано на рис. 3-33. Начальная точка 1
соответствует давлению pi и температуре Т\ < Тж, конечная точка 2 — дав-
лению р2 < pi и температуре Т2 < Т\. Процесс дросселирования 1-2 идет
по линии hi = h2 = const. В этом процессе ер уменьшается на величину Дер
(находится по линии Т\ = const, процесс 1~3), а ет возрастает на величину Дет
(находится по линии = const, процесс 3—2). Эксергетический КПД такого
дроссел ирован ия:
(3.«
В области температур рабочего тела ниже Тос и одновременно ниже критиче-
ской температуры Тк значение tj€ 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\ = 20 МПа и температуры Т\ = 130 К do
давления р2 - 0,1 МПа.
Решение. При дросселировании температура уменьшается до Т2 = 82К
(см. прил. 14 и рис. 3-34). Изменение температуры ДТ = 82 - 130 = -48К.
Эксергия воздуха в точке 1 ех = 580 кДж/кг, в точке 2 е2 = 415 кДж/кг, в точке
3 ез = 75 кДж/кг. Следовательно,
Дер = е3 - ci = 75 - 580 = -505 кДж/кг,
Дет = ез - е2 = 75 - 415 = -340 кДж/кг,
Сжатие и расширение газов 4- 151
Рис. 3-34. Процесс дросселирования в области Т < Тк (к примеру 3.7).
Дет 340 о „„
"Ле = -I- = 77^7 = 0,67.
Дер 505
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 давления р2. В любом процессе деформацион-
ная составляющая эксергии потока уменьшается от ei до е5, т.е. Дер = е5 -ei
(процесс 7—5 при = const).
При идеальном адиабатном расширении 1—2 при si = s2 термическая
составляющая эксергии увеличится от е5 до е2 (процесс 5—2 при рг = const),
т.е. Дет2 = е5 - ег, и будет получена работа /i_2 = hi - h2 = е2 - ei. В результате
эксергетический КПД
ДбТ2 + /1-2 65—62 + 62—61
^(1-2) —----г----- — --------------— 1-
Дер е5 - ei
В реальном процессе 1—3, протекающем с увеличением энтропии s3 > s2,
Аетз = (es — е3) < Дет2, h-з — (Л1 — /»з) < /1—2, т?е(1-з) = (Детз + /1-з)/Де₽ <
<Пе(1-2)«
Для сравнения на рис. 3-35 показан процесс дросселирования 1—4, Дет4 =
= (65-64) < Дбтз, /1-4 = о, Т7е(1—4) = Дет4/Дер < Т7е(1—3).
152 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Глава:!
Рис. 3-35. Изменение эксергии потока при расширении в области Т < Гос и р > рос-
Таким образом, наименьшим является эксергетический КПД процесса
дросселирования с целью снижения 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 эффективности процесса расширения в низкотемпературной тех-
нике не учитывает эффекта снижения температуры рабочего тела, а только
сравнивает получаемую работу в действительном процессе расширения
с работой несуществующего идеального процесса /i_2: tj = lis/li-2-
3.4.2. Машины для расширения газов и паров
Детандер — машина, предназначенная для понижения температуры ра-
бочего тела при его расширении с отдачей внешней работы. В детандерах
применяются различные способы получения работы, т.е. торможения. Выбор
способа торможения определяется в значительной степени развиваемой мощ-
ностью. Наиболее экономичен широко распространенный способ торможения
асинхронным генератором с выработкой электроэнергии, возвращаемой в сеть.
Менее распространены способы торможения 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 наибольшее распространение из детандеров объемного
действия находят поршневые 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 поршень детандера, при этом температура газа понижается,
и с низкой температурой он покидает детандер через выпускной клапан.
В поршневых детандерах расход газа (0,1... 100) м3/ч, начальное давление
газа (5...20)МПа, конечное давление 0,6МПа, начальная температура газа
20°С, конечная температура газа (-100...-150) °C, адиабатный КПД воздушных
детандеров 0,60... 0,75.
Турбодетандеры бывают одно- и многоступенчатые, активные и реактив-
ные. У реактивных машин понижение 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 1, проходит через неподвижный сопловой аппарат 2,
в 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 га-
за (0,6... 4) МПа, конечное давление (0,12...0,6)МПа, начальная температура
газа 20°C, конечная температура газа (-100... - 150)°C, адиабатный КПД
0.80... 0,85.
154 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава
Работа идеального адиабатного детандера /дт равна располагаемой работе
при расширении 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 ту. Работа, возвра-
щаемая детандером в электросеть еще меньше и пропорциональна электроме-
ханическому КПД, который обычно составляет г?Эм = 0,95.. .0,98.
Прежде чем расширять газ с целью получения низких температур, он долх-
ен быть сжат компрессором и охлажден до Гос. Компрессор устанавливается на
одном валу с детандером, образуя единый компрессорно-детандерный агрегат,
имеющий небольшие габаритные размеры и массу. Такие агрегаты использу-
ются в криогенной технике (см. раздел 4.11).
Г1Ш
4
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 КПД
цикла Карно сравниваются КПД других циклов. На рисун-
ке 4-1 в координатах T-s изображен этот цикл. Процесс
1—2 — изотермное расширение рабочего тела. Например,
испарение рабочего тела в области влажного пара осу-
ществляется при постоянной температуре Тпв и постоян-
ном давлении рпв при подводе к единице массы рабочего
тела теплоты, равной (+) <7ПВ = TnB(s2 - si) от горячего
источника. Знак «плюс» или «минус» в круглых скобках
обозначает знак получаемого при расчетах значения ве-
личины. Процесс 2—3 — адиабатное расширение рабочего
тела — осуществляется при отдаче рабочим телом работы
(+) 1ПН> например, в турбинах, при этом давление и тем-
пература рабочего тела понижаются. Процесс 3—4 — изо-
термное сжатие рабочего тела, например конденсация его
156 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава)
Т
S3 —32
Рис. 4-1. Прямой цикл Карно.
3
в области влажного пара, осуществляется при по-
ниженной постоянной температуре ТПн и поста-j
янном пониженном (по сравнению с рпв) дав-
лении рпн при отводе от рабочего тела теплота:
(-) 9пн = Т1пн(в4 - «з)- Процесс 4-1 — адиабат-
ное сжатие рабочего тела — осуществляется при
подводе к нему работы (-) /пв, например, в ма-
шинах для сжатия рабочего тела (компрессорах,
насосах), давление и температура рабочего тела
повышаются до Тпв и рпв- Строго говоря, работа /Пн, получаемая при пониженна
давления рабочего тела, и работа /пв, затрачиваемая для повышения давления
рабочего тела, являются располагаемыми работами. Индексы пв и Пн означают.
соответственно, повышенные и пониженные давление и температуру, а также
работу и теплоту в процессах повышения и понижения давлений.
Работа цикла равна алгебраической сумме подводимой и отводимой в цикле
работ: /ц = /пв + U- Теплота, использованная рабочим телом при совершении
цикла, равна алгебраической сумме подводимой и отводимой теплот qa = ?Лв-
4- ?пн- Внутренняя энергия рабочего тела при завершении цикла возвращается
к исходному значению. В результате, согласно первому закону термодинамики.
дц = /ц. Абсолютное значение величины |дпв| больше |дПн|, так как Тт > Тю.
поэтому qu > 0, следовательно, при затрате в цикле теплоты (+) qu от него
отводится (получается) работа (+) 1и.
Отношение работы, полученной в прямом цикле, к теплоте, подведенной
к циклу от горячего источника, называется термическим коэффициентом по-
лезного действия цикла'.
1ц ____ Qu _ Qua 4~ <7пн ________ |?пВ| |?пн|.
<7пВ 9пВ 9пв 1*7пВ|
(4.11
г) всегда меньше единицы. Таким образом, всю подведенную от горячего ис-
точника к рабочему телу теплоту ?пв невозможно превратить в работу; часть
ее дПн неизбежно отдается приемнику теплоты при температуре Тп„ < Тп.
т. е. невозможен тепловой двигатель, полностью преобразующий подведенную
теплоту в работу. Это еще одна формулировка второго закона термодинамики.
Для идеального цикла Карно, когда зз = s-i и 34 = si,
ТпВ(32 — 31)
2цК *7пВ 4" <7пн Тпв(в2 — 81) 4- Т’пн(®4 Зз) Тпв ТПн
7JK = — = ---------------- = -------------------------------- “ ------------
ЧПВ ЧПВ
Тпв — тпн
*?К = -------------•
1 ПВ
ТПВ
(4.2)
Прямые циклы осуществляют для получения работы в силовых установках,
в частности для выработки электроэнергии. Этот раздел техники далее нс
рассматривается, так как он не характерен для производств, использующих
биотехнологии.
Циклы: процессы и установки ❖ 157
4.2. ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ
Классический обратный цикл — это так же цикл Карно, состоящий из двух
изотермных и двух адиабатных процессов. Но в обратном цикле изотермное
расширение, например, испарение, происходит при пониженной температуре
Гпн по сравнению с температурой ТПв изо-
термного сжатия, например, конденсации. На
рис.4-2 изображен обратный цикл. Процесс
1-2 — изотермное сжатие рабочего тела, на-
пример, конденсация в области влажного па-
ра при ТПв = const и рпв = const при отводе
от него теплоты (-) дПв = Тпв(«2 - si). Про-
цесс 2-3 — понижение давления рабочего тела
в адиабатном процессе расширения при отдаче
им работы (+) /пн, например, в детандерах. При
32 — Зз 31 = 34 3
Рис. 4-2. Обратный цикл Карно.
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 рПн- Для осуществления изотермного расширения к рабочему телу
необходимо подводить теплоту (+) <7ПИ = TnH(s4 -вз). Процесс 4—1 — адиабатное
сжатие рабочего тела, осуществляется при подводе к нему работы (-) /пв;
давление и температура рабочего тела повышаются до рПв и Тпв.
Работа обратного цикла, так же как и прямого, равна алгебраической сумме
работ /ц = /Пв + /пн. Теплота, использованная рабочим телом при совершении
цикла, равна алгебраической сумме теплот <?ц = <7пп + дПв- Внутренняя энергия
рабочего тела при завершении обратного цикла возвращается к исходному
значению, следовательно, <?и = /ц.
Абсолютное значение величины |дПв| больше |<7ПН|, так как Тпв > Тпн, по-
этому qu < 0, следовательно, для отвода от цикла теплоты (-) qu необходимо
затрачивать работу (-) /ц. Т.е. для того, чтобы передать теплоту с более низкого
температурного уровня на более высокий (Тпн < Тпв) необходимо затратить
работу. Это еще одна формулировка второго закона термодинамики.
В том случае, если целью осуществления обратного цикла является искус-
ственное охлаждение, обратный цикл называется холодильным. В этом случае
эффективность цикла характеризуется холодильным коэффициентом.
Отношение теплоты, подводимой к обратному циклу от холодного источни-
ка, к работе, затрачиваемой на осуществление цикла, называется холодильным
козффициентам цикла:
е=0пн= ..9пн = |9пн|... (4.3)
*ц (7пн + (7пв ]Qпн I “ |<7пв|
Этот коэффициент имеет отрицательный знак, а по абсолютной величине
всегда больше единицы. Таким образом, от обратного цикла отводится теплоты
больше, чем подводится к нему.
158 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Глава!
Для идеального обратного цикла Карно, когда $2 = $з и si = $4
_ <7пн _ ^пн(^4 ~ $з) _ Тпн
(7пн “I" 9пв ^пн(54 — $з) + ^пв($2 ~~ $1) Тпн “ ТПв
В расчетах обычно используются абсолютные значения величин, т.е. знак
«минус» опускается, тогда
|Е| = , j"11"1 ,, («
|^пв| “ |<7пн|
|ек| = т Тпнт • (4.Я
1 пв 1 пн
Обратные циклы широко используются в биотехнологиях для изменена
потенциала теплоты.
4.3. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ КПД ЦИКЛА
Эксергия теплового потока была подробно рассмотрена в разделе 2.2.7
Однако теперь можно дать еще одно определение: эксергия потока таим
еч при температуре Т определяется количеством работы, которая может был
получена (или должна быть затрачена) в обратимом процессе для переноса
энтропии, характеризующей данный тепловой поток, на уровень температуру
Гос окружающей среды.
Или иначе: эксергия теплоты — это максимальная полезная работа, которая
может быть совершена за счет теплоты q, отбираемой от горячего источника
с температурой Г, если холодным приемником является окружающая среда
с температурой Гос- Это есть не что иное, как работа, получаемая в цикле
Карно, если приемник теплоты — окружающая среда.
Из формулы (4.2):
___. _ _ Гпв — Гпн _ Г — Гос ..
ед — ‘цК — С/пв^К — ?пв Tf, — Q гр > (4.-)
пв -I
где Гпв = Г — температура, при которой подводится теплота q = <?пв- Обозначай
эта величина в разделе 2.2.7 была названа эксергетической температурим
функцией.
Эксергия теплоты является более универсальной функцией, чем теп-
лота. Она учитывает не только значение теплоты, но и ту температура
при которой эта теплота передается, причем сравнивает эту температура
с температурой окружающей среды. По эксергии теплоты удобно сравни-
вать установки, работающие при разных температурах и в разных условия
окружающей среды.
Эксергетический КПД прямого цикла:
7?e=£nan=2u_ = Ju = 77. (4j|
езат едпв QnB^e Те
Циклы: процессы и установки Ф 159
Если при совершении прямого цикла приемником теплоты, отводимой от
цикла, является окружающая среда, то
ТПВ ~ Трс
Тпв
Тпв ~ Трс
Тпв
Эксергетический КПД обратного холодильного цикла
(4.10)
епол едпн <7пнТе
= — = ~г = ~т~ = £Tq
сзат *ц ьц
Если при осуществлении обратного холодильного цикла приемником теплоты,
отводимой от цикла, является окружающая среда, т.е. Тпв = Тос, Т = Тпн < Т^,
то
Тпн ~ Тос _
Тпн
Тпн
7/е = £Те = --—
7 ПН — J-OC
При Т < Тос величина те имеет отрицательный знак, что говорит о затрате
работы на перенос энтропии на уровень температуры окружающей среды.
Отрицательный знак имеет и холодиль-
ный коэффициент е (см. формулу 4.3),
поэтому rje имеет знак «плюс».
Величина е не достаточна для полной
оценки обратного цикла, поскольку на
разных температурных уровнях Тпн энер-
гетическая ценность одного и того же зна-
чения величины (?пн различна. При увели-
чении температуры Тпн абсолютное значе-
ние холодильного коэффициента обрат-
ного цикла увеличивается по линейно-
му закону (рис. 4-3). Зависимость эксерге-
тического коэффициента т/е от понижен-
ной температуры Тпн имеет максимум, что
позволяет выбрать оптимальные условия
работы обратного холодильного цикла.
Полный эксергетический анализ осу-
ществления обратного цикла при работе
парокомпрессионной холодильной уста-
Рис. 4-3. Зависимость холодильного ко-
эффициента е и эксергетического КПД
т/е от температуры Тпн.
новки см. в примере 4.1.
4.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБРАТНЫХ КРУГОВЫХ
ПРОЦЕССОВ
Холодильными называются обратные циклы, в которых подвод теплоты от
холодного источника происходит при температурах ниже температуры окру-
160 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава!
жающей среды, но выше 120 К, т.е. 120 К < Тпн < Тос. Отвод теплоты и
холодильных циклов производится при температурах близких к температуре |
окружающей среды, т. е. Тпв » Тос. ।
Криогенными называются обратные циклы, в которых подвод теплоты от ।
холодного источника происходит при Гпн < 120 К, а отвод теплоты при ТПв*|
~ Гос.
В обратных циклах теплонасосных установок подвод теплоты осуществил-:
ется при температурах близких к температуре окружающей среды ТПн «К-
а отвод теплоты происходит при температурах существенно больших темпера-1
туры окружающей среды, т. е. Тпв > Тос-
В обратных циклах для совместного получения теплоты и холода: 120 К <
< Тпн < Тос, Тпв > Гос-
Установки, в основе работы которых лежат холодильные или криогенные
циклы, по назначению делятся на рефрижераторы — для охлаждения внешних
объектов до Тпн < Т»; ожижители — для перевода внешних объектов в жидкое
или твердое состояние при Тпн < Тос', разделительные установки — для разде-
ления газовых смесей при Тпк < 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 понижение температуры рабочего тела осуще-
ствляется за счет его внутреннего необратимого охлаждения при расширении
либо в дросселе, либо в детандере.
В химических технологиях и биотехнологиях холодильные установки ис-
пользуются для обеспечения «холодом» процессов сушки, кристаллизации, аб-
сорбции, адсорбции, экзотермических реакций, кондиционирования воздуха
В криогенных разделительных установках получаются из воздуха чистые газы,
необходимые в химических и биотехнологиях. Использование теплонасосных
установок целесообразно для утилизации сбросных потоков теплоты.
4.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОДИЛЬНЫХ
И КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК
Основной характеристикой любой установки является ее произво-
дительность.
Производительность рефрижераторов Qo, Вт, — холодопроизводительност.
т. е. количество теплоты, отводимое в единицу времени искусственным охла-
ждением от внешнего 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 4- 161
Количество теплоты, которое отводится от охлаждаемого объекта с по-
мощью 1 кг циркулирующего хладагента, называется удельной массовой хо-
лодопроизводительностью <?пн, Дж/кг. Холодопроизводительность холодильной
установки Qo и удельная массовая холодопроизводительность дПн связаны со-
отношением
Qo = ТПха?пн> (4.11)
гае Шха — массовый расход циркулирующего хладагента, кг/с.
Энергетическая ценность количества отводимой теплоты (или, что то же
самое, производимого холода) зависит от температуры Тпн, при которой это
происходит, а также от температуры Тпв отвода теплоты от цикла. Эти условия
работы холодильного оборудования называются сравнительными. Они всегда
указываются наряду с Qo. Стандартной холодопроизводительность считается
при температуре <Пн = -15 °C, если отвод теплоты от цикла осуществляется
при tnB =+30 °C.
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 все^ случаев показа-
тель — эксергетическая производительность. Применительно к холодильным
и криогенным установкам она называется эксергетической хладопроизводи-
шьностью, Eqo, кВт.
Для рефрижераторов:
®Q0 = Qoi'Tei-
Таким образом можно определить суммарную производительность установки,
производящей одновременно холод (Qoi, Q02, ..., Qoi) на нескольких темпера-
турных уровнях (ТПН1, Тпн2, • • •, TnHi). Непосредственно складывать Qoi, Q02,...,
Qo, нельзя, так как они качественно различны и полученный результат может
привести к ошибочным оценкам эффективности.
Обобщенный показатель производительности ожижителей:
Eqo = (е2 - ej)mx,
где ei и е2 — эксергии рабочего тела на входе в установку и на выходе из нее;
тж - расход получаемого продукта. Точка 1 соответствует обычно параметрам
окружающей среды.
Обобщенный показатель производительности разделительных установок:
Eqo — , 'UijCjocy
где т; — расход каждого продукта; eiOc — эксергия каждого продукта разделе-
ния при давлении и температуре окружающей среды (обычно даны в справоч-
никах).
6-4675
162 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава
Удельная холодопроизводительность рефрижераторов является практичен
реальным холодильным коэффициентом:
_ Qo
£~ N’
учитывающим потребляемую мощность N,
N = Шха^цд, (4.12)
где (цд — действительная работа цикла.
Удельный расход мощности рефрижераторов:
N 1
Пуд — Qo ~ £
Для ожижителей и разделительных установок удельный расход мощности рас-
считывается на единицу продукта:
Обобщенный показатель энергетической эффективности для всех типов уста-
новок есть эксергетический КПД.
Для рефрижераторов:
Величины е и Пуд, в отличие от т?е, 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 холодима»
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 испарении
хладагента, передается от охлаждаемых объектов с помощью веществ,
называемых хладоносителями (хн). Характеристики хладоносителей даны
в разделе 4.6.6.
Циклы: процессы и установки 4- 163
4.6.1. Цикл идеальной машины
Схема идеальной компрессионной
«иодильной машины приведена на
рис.4-4а.
Компрессор КМ (рис.4-4а) засасы-
вает пары холодильного агента и сжи-
мает их до давления рпв, при этом
повышается температура холодильного
агента до Тпв. Таким образом происходит
адиабатное сжатие 1—2 (рис. 4-46), на
которое потребляется работа £Пв- После
компрессора пары холодильного агента
поступают в конденсатор К, где конден-
сируются, отдавая теплоту конденсации
Qn, в окружающую среду (ос) — воде
или воздуху. Процесс конденсации 2—
J происходит при постоянном дав-
лении рпв и постоянной температуре
Тпв, т.е. является изотермным сжатием
паров. Жидкий холодильный агент из
конденсатора К поступает в детандер
ДТ, где адиабатно расширяется (процесс
И), отдавая работу LnH- Давление
и температура холодильного агента при
этом понижаются до рПн и ТПн- Далее
жидкий холодильный агент испаряется
(процесс 4—1) в испарителе И при постоянной температуре Тпн и постоянном
явлении рпн, 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.
хн
а
б
Рис. 4-4. Схема а и цикл б идеальной
холодильной машины.
4.6.2. Циклы действительной машины
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-
процесс обратимого адиабатного расширения заменяется необратимым про-
цессом дросселирования, и работа при понижении давления не возвращаете;
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, причем компрессор засасывав
сухие насыщенные или даже несколько перегретые пары, при этом рабо-
та сжатия теоретически увеличивается. Практически же производительно®
компрессора существенно выше при сухом ходе для всех хладагентов. Эк
объясняется главным образом тем, что при влажном ходе «мертвое» простран-
ство существеннее влияет на уменьшение объема засасываемых компрессоре»
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 стена
к пару. Это вызывает кипение частиц жидкости, содержащейся во влажно»
паре, а, следовательно, увеличение удельного объема пара и уменьшение мас-
сы пара, всасываемого в цилиндр компрессором, что приводит к снижение
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. Поэтом)
холодопроизводительность установки при сухом ходе выше, чем при влажно»
(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 КМ — 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 ю
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 дроссель
вентиле 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 4- 165
Рис. 4-5. Парокомпрессионная холодильная машина: а - схема, б - цикл в T-s координа-
тах, в - цикл в h - s координатах, г - цикл в р - h координатах.
166 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава;
На рисунках 4-55—4-5г — 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 /км = /„,=
= (Tii - /щ). Сжатие происходит в области перегретого пара хладагента. 2-
3 — охлаждение перегретого пара хладагента до состояния насыщения, J-1
4 — его конденсация. Эти процессы происходят при постоянном давлении
Рпв, температура конденсации Тпв. В процессе 2—3—4 выделяется удельная
теплота дпв = /14-/12, которая обычно отводится в окружающую среду. 4-
5 — переохлаждение конденсата при том же давлении рпв- Отводимая удельна
теплота дохл = h5 - Л4. 5—6 — процесс дросселирования, происходящий по
линии постоянной энтальпии h6 = h5, но при увеличении энтропии s6 >
> в5 (в отличие от идеального адиабатного расширения). Именно этот процесс
снижает температуру хладагента до заданного значения Тпн при понижении
давления отрпв до рпн- 6— 7 — испарение хладагента при постоянном давлении
Рпн и постоянной температуре ТПн- Теплота перегрева паров хладагента, процесс
7—1, включается в общий расчет: <?Пн = hi - he,.
Температура Тхн хладоносителя, отдающего теплоту дПн, должна быть ниже
Тпн. Рекомендуемая средняя разность температур в испарителе
Д7и = ТПн — ТХн = 5 К
Все характеристики действительной холодильной машины рассчитываются по
формулам, приведенным в разделе 4.5.
Холодильный коэффициент действительного цикла
_9пн _ hi — fee
/ц fel — /l2
Расход холодильного агента в цикле тха, кг/с, находится по заданной холодо-
производительности Qo:
Qo
mxa = —.
Зпн
По значению величины Qo рассчитывается испаритель. По значению величины
С?пв = 9пвтха (4.14|
рассчитывается конденсатор.
При наличии переохладителя
Qoxji = ?охл^ха-
Удельную работу цикла можно рассчитать по диаграмме h-s при si = const км
работу идеального адиабатного процесса (см. формулу 1.25):
/ц — /пв = /км — /ад = fel — /l2an-
Затем учесть отличие реального процесса общим коэффициентом полезного
действия компрессора и рассчитать мощность на валу приводного двигатели
компрессора (см. раздел 3.1.14).
Циклы: процессы и установки 4- 167
Пример 4.1. Определить мощность, расходуемую одноступенчатым вертикаль-
ным аммиачным компрессором простого действия, работающего на простом ходу;
расходы теплоты в конденсаторе и переохлади теле; а также холодильный коэф-
фициент холодильной машины. Требуемая холодопроизводительность 300 кВт при
температуре испарения -15 °C. Температура конденсации +31 °C, температура
переохлаждения +25 °C. Провести эксергетический анализ установки.
Решение. Значения удельных энтальпий аммиака и его давления в различ-
ных точках цикла находятся по T-s диаграмме (см. прил. 7 и рис. 4-6).
Точка 1 находится на пересечении изотермы СПн = -15 °C с правой вет-
вью кривой насыщения х = 1; энтальпия h\ = 1663 кДж/кг; давление рПн =
= 0,25 МПа. Процесс конденсации происходит при температуре £Пв = 31 °C,
чему соответствует давление рПв = 1,2 МПа, следовательно, процесс сжатия
аммиака (процесс 1—2) происходит до давления рПв = 1,2 МПа. При идеаль-
ном адиабатном процессе сжатия s = const, т.е. si = s2 = 9,ЗкДж/(кг-К),
энтальпия /г2 = 1903 кДж/кг, температура t2 = 100 °C. Процесс переохлаждения
конденсата аммиака (процесс 4—5) происходит до температуры toxn = +25 °C
при постоянном давлении рПв, h5 = 545 кДж/кг, s5 = 4,63кДж/(кг К). Процесс
аросселирования (процесс 5—6) происходит по линии /г5 = hfi = const =
= 545кДж/кгдо температуры <Пн = -15 ° С, s6 = 4,87 кДж/(кг-К). Удельная
холодопроизводительность
<7пн = hi — he,
qnH = 1663 - 545 = 1118 кДж/кг.
Расход циркулирующего холодильного агента
Qo
тха =----,
(7пн
168 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава!
где Qo = 300 кВт — заданная холодопроизводительность установки,
тха = 777? - 0)268 кг/с-
Удельная работа идеального адиабатного сжатия в компрессоре
I = -(1903 - 1663) = -240 кДж/кг.
Мощность привода компрессора рассчитывается по формуле (3.21), учитывая,
что pV = тха, принимая коэффициент запаса = 1,1 и КПД компрессора
= 0,67, тогда
.. .. 1,1 0,268 (-240) 1ПСС _
W = NaB = —----------------- = -105,6 кВт.
0,67
Холодильный коэффициент
__Qo
N ’
300
-105,6
-2,84.
Удельная тепловая нагрузка конденсатора и переохладителя
<?пв — /l5 —
5пв = 545 - 1903 = -1358 кДж/кг.
Общий расход теплоты, отдаваемой в конденсаторе и переохладителе
£?пв = тхаЯпв>
Q„B = 0,268 • (-1358) = -364 кВт.
Далее проведен эксергетический анализ установки.
Работа установки обеспечивается подводом электроэнергии к компрессор),
удельное количество подводимой эксергии
евх = — = = -394,0 кДж/кг.
тХа О^лОо
Внутренние потери эксергии в компрессоре
<^км = Свх ~ Ц
= -394,0 - (-240,0) = -154,0 кДж/кг.
Изменение эксергии аммиака в конденсаторе и переохладителе
ДеПв = е5 — е2 = ^5 ~ /12 — Тос(в5 ~ «г) = Як ~ 7ос(«5 — «2),
Депв = -1358 - 293(4,63 - 9,3) = -68,8 кДж/кг.
Это изменение эксергии происходит по двум причинам: часть эксергии от-
водится (теряется) с охлаждающей водой, температура которой Тв обычно на
5 К ниже температуры конденсации Тпв, т. е.
Тв = (273 + 31) - 5 = 299
Циклы: процессы и установки ❖ 169
1 fTqc
«в — <7пв I 1 I >
\ -*в /
/ 293 \
dR = -1358 1 - — = -27,25 кДж/кг,
у J
другая часть теряется из-за необратимости процесса теплообмена
б?пв = Дбпв ~ de,
d„B = -68,8 - (-27,25) = —41,55 кДж/кг.
Потери эксергии из-за необратимости при дросселировании, когда h6 = h5
dpp — вв ^5 — Toc^e ®s)j
</др = -293(4,87 - 4,63) = -70,32 кДж/кг.
Изменение эксергии аммиака в испарителе
ДбПн = 61 — вб = hl — /le — 2”oc(si — 5б) = Зон — 2oc(si — 5б)>
Депн = 1118 - 293(9,3 - 4,87) = -100,88 кДж/кг.
Это изменение эксергии складывается из двух составляющих: часть эксер-
гии епн отводится с хладоносителем, например, имеющим температуру TXif =
= Гпн + 5, это полезный расход эксергии
Тхн = (273 - 15) + 5 = 263 К,
ехн — (7пн
Трс \
Тхн/
ехн = 1118- (1 -
\ 263)
= -127,53 кДж/кг;
другая часть эксегии теряется из-за необратимости процесса теплообмена в ис-
парителе
<Л1Н — Дбпн — ехн,
«?пн = -100,88 - (-127,53) = 26,65 кДж/кг,
в данном процессе необратимость увеличивает эксергию системы, так как
температура из-за нее «удаляется» от температуры окружающей среды.
Эксергетический КПД холодильной установки
—127,53'
-394,0 .
• 100 = 32,4%.
Потери эксергии (в процентах от входящей эксергии) составляют:
в компрессоре
—154,0'
100 = 39,1%;
с водой, охлаждающей конденсатор,
'-27,25'
.-394,0.
• 100 = 6,9%;
170 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4 Глава!
от необратимости в конденсаторе
<4ib —
’-41,55'
.-394,0.
• 100 = 10,6%;
от необратимости при дросселировании
_ Г-70,32'
dap ~ [-394,0.
• 100 = 17,8%;
в испарителе
_ Г 26,65 '
пн ~ [-394,0.
• 100 = -6,8%.
Таким образом, основные потери эксергии имеют место в компрессоре,
который следует совершенствовать. »
Небольшие потери эксергии при теплопередаче в конденсаторе обусловле-
ны небольшой разницей температур (5 К).
С охлаждающей водой потери эксергии можно свести к нулю, если ее
температура будет равна температуре окружающей среды, или же использовал
эту теплоту, например, для работы теплового насоса (см. раздел 4.10 ).
Приведенный анализ демонстрирует преимущества эксергетического КПД
по сравнению с холодильным коэффициентом.
Эксергетический КПД можно рассчитать иначе:
Г)е = ете,
где те — эксергетическая температурная функция,
1 Трс
Те = 1 -
-*хн
293
те = 1 - — = 0,114,
263
т]е = -2,84 • (0,114) = 0,324 = 32,4%.
Эксергетическая холодопроизводительность
Qe — QoTe,
Qe = 300 • 0,324 = 97,2 кВт.
4.6.3. Двух- и многоступенчатые холодильные машины
Парокомпрессионная холодильная машина, работающая по схеме, изоб-
раженной на рис. 4-5, является одноступенчатой. Обычно такая машина ис-
пользуется для осуществления холодильных циклов при сравнительно неболь-
шой разности температур испарения (кипения) и конденсации ха. Практи-
чески одноступенчатые машины применяются при соотношении давлений
Рпв/Рпн<9.
Когда необходима большая разница температур 1Пн и гПв и, следовательно,
большее значение рпв/рт, используются двух или многоступенчатые машины.
Двухступечатые машины используются для достижения !Пн = (-60... - 80)°C.
Циклы: процессы и установки 171
когда рпв/рпн = 7 -100. Трехступенчатые — для tnH < -80 °C, когда рпв/Рпн >
Я80...ЮО).
В таких машинах хладагент сжимается от давления испарения до
имения конденсации не сразу, а последовательно в двух (или более)
ступенях с промежуточным охлаждением частично сжатых паров. Отно-
шение давления нагнетания р„в« к давлению всасывания рПн< хладаген-
та 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 конструкции деталей машин. За счет охлаждения паров
надагента в промежуточном сосуде (после сжатия его в компрессоре
низкого давления) уменьшается объем паров, следовательно, уменьша-
ется работа по сжатию 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)05- Двух- и многоступенчатые холодильные ма-
шины широко применяются в биотехнологиях, например при субли-
мационной сушке сывороток, бактериальных препаратов, эндокринного
сырья.
В двухступенчатой холодильной машине (рис.4-7а) пары холодильного
агента (точка 7) при давлении рПн засасываются из испарителя И, сжима-
ются компрессором низкого давления КМ1 до промежуточного давления рпр
Почка 2) и после теплообменника АТ (точка 5')поступают в промежуточ-
ный сосуд СП. Здесь они барбатируют через слой кипящего холодильного
агента, охлаждаются до температуры насыщения ТПр, отделяются от жидкости
и в насыщенном состоянии (точка 3) засасываются в компрессор высокого
имения КМ2. В этом компрессоре пары сжимаются до давления рПв (точ-
ка 4) и направляются в конденсатор К. Жидкость (точка 6), образовавшаяся
8результате конденсации паров проходит.через дроссель-вентиль ДР1, при
зтом понижаются ее давление до рПр и температура до ТПр- Образовавшийся
важный пар (точка 7) направляется в промежуточный сосуд СП. В этом сосуде
передается теплота перегретого пара 3' на испарения влаги, содержащейся во
важном паре 7. Насыщенный пар 3 поступает в компрессор КМ2, а жидкость
{проходит через дроссельный вентиль ДР2, где ее давление и температура
понижаются до р„н и Тпн (точка 9). Влажный пар 9 поступает в испаритель
И. где отнимает теплоту Qo от охлаждаемой среды (хладоносителя) на свое
испарение при температуре ТПн-
На диаграмме T-s (рис. 4-76) дано изображение цикла. Пары холодильного
агента адиабатно сжимаются в компрессоре низкого давления по линии 7 —
2. (в реальном процессе si < s2), несколько охлаждаются в теплообменнике
АТ (изобара 2—3'), затем в промежуточном сосуде СП полностью теряют теп-
ло перегрева, охлаждаясь до температуры насыщения (изобара 3'—3). Далее
172 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Глава
а
б
Рис. 4-7. Схема а и цикл £ двухступенчатой холодильной машины.
Циклы: процессы и установки "Ф- 173
насыщенные пары сжимаются в компрессоре высокого давления (по линии
Н) до перегретого состояния. Последующее охлаждение перегретых паров
в 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 изоэнтальпой 6—7. Получае-
мый после расширения влажный пар (точка 7) разделяется в промежуточном
сосуде СП на паровую (точка 3) и жидкую (точка 8) фазы. Жидкий холодиль-
ный агент дросселируется в вентиле ДР2 до давления рпн (по изоэнтальпе 8—
9) и испаряется в испарителе И (изотерма 9—1). Теплоту на испарение отдает
хладоноситель хн. В конденсаторе Кив теплообменнике АТ теплота отводится
водой или воздухом (ос), имеющих температуру окружающей среды.
Расчет энергетических балансов двухступенчатой установки ведется так же,
как и одноступенчатой; связь параметров верхней и нижней ступеней устанав-
ливается через баланс промежуточного сосуда СП.
Холодильный коэффициент, так же как удельный расход электроэнергии
на выработку единицы холода, в этом случае не вычисляются, так как они не
имеют физического смысла.
Эксергетический КПД всей установки может быть вычислен, так как эксер-
гии можно складывать, хотя тепловые потоки имеют различные температуры:
„ Qo^ + Q'^)
Ле N1 + N"
где (г') и (т") — эксергетические температурные функции, расчитанные для
температур Тпр и Гпн; Q'o и Q'q — холодопроизводительность верхней и нижней
ступеней; Л7 и N" — электрические мощности электродвигателей компрессо-
ров верхней и нижней ступеней.
4.6.4. Каскадные парокомпрессионные холодильные машины
Для получения низких температур (-50... - 90°С) наряду с многоступен-
чатыми машинами применяют так называемые каскадные парокомпрессионные
холодильные машины. В такой машине осуществляется несколько холодильных
циклов и охлаждение конденсирующегося 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 КМ1 отсасывает из испарителя И пары хладагента xal, сжи-
мает их аДиабатно (процесс 1—2) от давления испарения рПнт ДО давления
конденсации рПВ1 и нагнетает в теплообменный аппарат АТ, играющий роль
конденсатора для нижнего каскада. Здесь пары хладагента xal охлаждаются
174 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Гла*
Рис. 4-8. Схема а и цикл б каскадной холодильной машины.
Циклы: процессы и установки 4- 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 xal направляется из аппарата АТ в дроссельный вентиль ДР1, где
он дросселируется (процесс 3—4) от давления конденсации рПв1 до давления
испарения рПН1- В испарителе И жидкий хладагент xal кипит и испаряется
при постоянных давлениях рПн1 и температуре ТПН1 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) ТПН2 в верхнем каскаде поддерживают на несколько кельвинов
ниже температуры конденсации ТПв1 в нижнем цикле каскада, т.е. ТПН2 <
<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
деления 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. Хладагенты
Вещество, применяемое в качестве рабочего тела при осуществлении холо-
дильного цикла, называется холодильным агентом (хладагентом, ха).
Хладагенты должны удовлетворять определенным требованиям: безвред-
ность для здоровья человека; достаточно низкая температура кипения (испа-
рения) при нормальном атмосферном давлении (во избежание подсоса возду-
ха в систему при работе холодильной машины); конденсация охлаждающей
водой или воздухом при температурах близких к температуре окружающей
среды при невысоких давлениях (что не требует большой прочности маши-
ны, увеличения ее массы и стоимости); низкая температура замерзания (во
избежание образования твердой фазы хладагента в испарителе при заданной
температуре кипения); 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 ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Главам
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 0,2 мг/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 компрес-
сор. Аммиак пожаро- и взрывоопасен. Если в воздухе содержится свыше 115?
аммиака, возможно возгорание; при содержании (16... 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 СпН2п+2, в частности метана и этана, полученные
замещением атомов водорода атомами фтора, хлора, брома (CnHa; FyCl.Brai,
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
Хладагенты Обоз- наче- ние Хими- ческая формула Темпе- ратура насы- щения, °C, при 0,1 МПа Теплота, кДж, паро- образо- вания при 0,1 МПа Критические Темпе- ратура затвер- дева- ния, °C
темпера- тура, °C давле- ние, МПа
Вода Н2О +100 — 374,15 22,14 0
Аммиак R-717 NH3 -33,4 1370 132,4 11,30 -77,7
Диоксид утлерода СО2 -78,5 571,5 31,0 7,36 -56,6
Хлористый 1 метил । R-40 СНзС1 -23,7 — 143,1 6,68 -97,6
L. , Монофтор- 'трихлорметан R-11 CFC13 23,7 183,5 198,0 4,37 -111,0
Дифтор- дихлорметан R-12 CF2C12 -29,8 167,2 112,04 4,0 -155,0
Трифтормоно- хлорметан R-13 CF3C1 -81,5 149,2 28,78 3,68 -180,0
Дифтормоно- хлорметан R-22 CHF2C1 -40,8 234 96,13 4,93 -160,0
(Дихлорметан R-30 СН2С12 39,2 — 235,4 — -96,7
Трифтор- •трихлорэтан R-113 C2F3C13 47,7 145,5 214,1 3,42 -36,6
Дифтормоно- иорэтан R-142 c2h3f2ci -9,2 223,6 136,45 3,92 -130,8
Этан R-170 c2H6 -88,6 490,2 32,1 4,93 -183,2
Пропан R-290 СзНз -42,2 427,4 96,8 4,26 -187,1
опасны. На металлы при отсутствии влаги фреоны 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 воздух
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 в два раза больше,
чем у аммиачных машин такой же холодопроизводительности. Объемная хо-
лодопроизводительность фреона-12 меньше, чем у аммиака. В связи с этим
178 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава*
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-21
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 -45,6 °C, критическая температура
90,0 °C.
Хранение и транспортировку хладагентов осуществляют в стальных балло-
нах емкостью (25...55)л. Хранить баллоны следует в изолированном, лучше
подвальном, помещении на достаточном удалении от отопительных приборов.
В последние годы разрабатываются озонобезопасные фреоны.
4.6.6. Хладоносители
Вещество, используемое для отвода теплоты от охлаждаемых объектов и пе-
редачи его холодильному агенту (например, для его испарения в парокомпрес-
сионных холодильных машинах), называется хладоносителем (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
Циклы: процессы и установки Ф- 179
для каждого рассола существует самая низкая температура замерзания — крио-
гидратная 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... 10) К ниже температуры кипения хладагента
в испарителе.
Таблица 4-2. Основные физические свойства рассолов
Плотность, кг/м3, при 15 °C Содержание соли в растворе, % Температура замерзания, °C Теплоемкость, кДж/(кгК)
Раствор хлористого кальция СаС12
1000 од 0,0 4,21
1100 11,5 -7,1 3,49
1160 17,8 -14,2 3,75
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
1000 0,1 0,1 4,2
1100 13,6 -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 1 1 23,1 -21,2 (криогидратная точка) 2,94
1180 23,7 -17,2 3,32
1200 26,1 -1,7 3,23
Наиболее широко в холодильной технике используются водные растворы
СаС12 и NaCI (табл. 4-2). Эти рассолы, особенно NaCl, при взаимодействии
(кислородом воздуха вызывают сильную коррозию металлов. Для уменьшения
корродирующего действия в рассолы добавляют силикат натрия, хромовую
соль, фосфорные кислоты; системы делают замкнутыми, чтобы рассол не со-
прикасался с воздухом. Для уменьшения потерь на трение в рассолы иногда
добавляют поверхностно-активные 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 ❖ ГлакИ
Рис. 4-9. Рассольная система охлажде-
ния с открытым испарителем.
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 -67,2 °C 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 °C. При температура
(-90... - 100) °C применяют фреон R—11.
4.6.7. Системы рассольного охлаждения
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 хладагента
Холодный рассол хн центробежным насосом Н направляется по магистрально
му трубопроводу ТБ1 в охлаждаемые аппараты Al, А2 и т. д., нагревается в ню
Циклы: процессы и установки Ф 181
и по сливному магистральному трубопроводу ТБ2 возвращается в емкость-
испаритель для охлаждения и дальнейшей циркуляции.
В системе с закрытым испарителем (рис. 4-10) в отличие от предыдущего
не два, а три магистральных трубопровода: ТБ1 — поступающий, ТБ2 — обрат-
ный, ТБЗ — компенсационный. 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 Al, А2 и т.д. В верхней части обратного трубопровода
ТБ2 устанавливается расширительный сосуд Б, предназначенный для компен-
сации изменения объемов рассола. Трехтрубная система позволяет обеспечить
равномерное питание рассолом охлаждаемых аппаратов; потребляет меньше
электроэнергии на работу насоса (не нужно подавать жидкость к верхней точке
системы), в ней меньше коррозия оборудования и деконцентрация рассола, она
лучше в санитарно-гигиеническом отношении.
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 толщина 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. Оборудование парокомпрессионных установок
Основным оборудованием компрессионных установок считается холодиль-
ный компрессор, который служит для сжатия и циркуляции холодильного аген-
та.
Применяются поршневые, ротационные, винтовые и турбокомпрессоры
(осевые и центробежные). Принцип действия и разнообразие конструкций 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 бессаль-
никовые 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 < Глава!
До последнего времени наиболее распространенными были поршневые
компрессоры. Они подразделяются по сжимаемым в них холодильным агентам
на аммиачные, фреоновые и универсальные; по величине холодопроизводи-
тельности — на малые (до 14кВт), средние (14... 105кВт), крупные (свыше
105 кВт). Все поршневые компрессоры имеют систему охлаждения.
Ротационные компрессоры используются, как правило, в установка
с большой холодопроизводительностью и в качестве ступеней низкого давления
в агрегатах двухступенчатого сжатия. Благодаря отсутствию всасываюшш
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 кПа). 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 маслоси-
стемы. 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 да
очень больших холодопроизводительностей. Центробежные выгодно исполь
зовать при холодопроизводительности от 500 до нескольких тысяч киловап
Ограниченное использование их в биотехнологических производствах объяс
няется малой мощностью большинства производств.
Теплообменное оборудование включает в себя конденсаторы, переохлади
тели, испарители, промежуточные сосуды. В этих теплообменных аппарата
теплообмен между рабочими средами реализуется при низких температурны
напорах ДГ, значения которых в отдельных случаях не превосходят 1 К. Кром
этого теплофизические характеристики рабочих сред при низких температура
заметно изменяются в пределах одного и того же теплообменника. В наибол,
шей степени это проявляется вблизи кривых насыщения и в околокритиж
ской области. Эти особенности сказываются не только на расчете, но и f
конструкции теплообменных аппаратов. Главными требованиями, предъяви
Циклы: процессы и установки •Ф- 183
емыми при этом к теплообменнику, являются соблюдение заданного темпе-
ратурного режима, высокие эффективность и экономичность, малая масса,
достаточная прочность, компактность, простота и технологичность конструк-
ции. 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 зна-
чениях 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
и компактности аппарата целесообразно применять двухстороннее оребрение.
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
давления нагнетания компрессора и конденсации паров хладагента является
функцией температуры конденсации, которая зависит от температуры воды
или воздуха, подаваемых на конденсатор из окружающей среды. Давление
нагнетания влияет на экономические показатели всей холодильной машины.
Конденсаторы классифицируются по виду холодильного агента (аммиачные
ифреоновые); по виду охлаждающей среды (охлаждаемые водой или воздухом);
по конструктивному исполнению (элементные, кожухотрубные горизонталь-
ные и вертикальные, оросительные и испарительные).
Конструкции кожухотрубных конденсаторов для аммиака и фреонов разли-
чаются материалом и формой поверхности теплообмена. Во фреоновых кожу-
хотрубных конденсаторах из-за сравнительно низких коэффициентов теплоот-
дачи 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 м2. Для аммиачных
установок средней (30... 100 кВт) и большой (свыше 100 кВт) холодопроизводи-
тельности выпускаются горизонтальные конденсаторы типа КТГ с площадью
внутренней поверхности охлаждения от 10 до 1250 м2. В кожухотрубных кон-
денсаторах пары хладагента конденсируются в межтрубном пространстве на
наружной поверхности труб. Эти конденсаторы обычно работают в комплексе
сводоохлаждающими устройствами, например градирнями.
Испарительные конденсаторы все шире применяются в последнее время.
В них змеевики с хладагентами располагаются внутри кожуха и орошаются
сверху водой, а в противоток движению воды с помощью вентилятора по-
дается воздух. При этом интенсивно испаряется вода и отводится теплота
184 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава-
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 потребляю!
небольшое количество воды: на 1000 кДж теплоты требуется 0,4 кг воды, ест
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 основной
в небольших фреоновых установках (и в бытовых холодильниках). Они состоя!
из змеевиков, внутри которых протекает хладагент, а их наружная поверхность
омывается воздухом.
В испарителях для испарения холодильного агента происходит теплооб-
мен между охлаждаемой средой (хладоносителем) и кипящим хладагентом
В процессе теплообмена от охлаждаемой среды отводится теплота. Температур
среды понижается или поддерживается на определенном уровне, а хладагеш
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 хладоно-
сителей, так и воздуха охлаждаемых помещений. Испарители можно клас-
сифицировать по виду хладагента (аммиачные и фреоновые); по агрегатном)
состоянию охлаждаемой среды (для охлаждения газообразных веществ, жиг-
костей и твердых тел); по конструктивному исполнению — кожухотрубные|
и панельные для охлаждения жидкостей, а для охлаждения воздуха (воздухе-1
охладители) — панельные, ребристо-, гладко- и листотрубные.
Для охлаждения жидких хладоносителей в производствах обычно исполь-
зуются кожухотрубные испарители. По конструкции они мало отличаются и
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 пог
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 (ИТГ) выпускают-
ся с номинальной величиной площади теплопередающей поверхности от 63 де
Циклы: процессы и установки Ф 185
800 м2. Фреоновые (R-12) трубчатые ребристые испарители (ИТР) — от 12 до
400м2. Панельные открытого типа (ИП) — от 60 до 320м2.
Промежуточные сосуды предназначены для полного промежуточного охла-
ждения паров хладагента между ступенями компрессора. Они представляют
собой вертикальные цилиндры, в нижней части которых находится змеевик,
полностью погруженный в жидкий хладагент. В змеевик подается жидкость из
конденсатора, где она переохлаждается благодаря кипению хладагента в меж-
змеевиковом пространстве промежуточного сосуда, куда под уровень жидкости
подаются пары хладагента из компрессора ступени низкого давления. Эти пары
проходят через слой жидкости 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 переохладителях происходит охлаждение холодильного агента после его
конденсации.
В аммиачных холодильных установках сосуды представляют собой чаще
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 жидкий фреон из
конденсатора, по межтрубному пространству — пар из испарителя. В результате
перегревания пара жидкий фреон переохлаждается.
Кроме рассмотренного основного оборудования холодильные установки
имеют вспомогательное оборудование, отделители и сборники масла, отделители
воздуха и жидкости, фильтры, осушители фреона, ресиверы, обеспечивающие
стабильность и безопасность работы установок.
Насосы в холодильных установках применяются для циркуляции охла-
ждающей воды в оборотных системах водоснабжения, для промежуточного
хладоносителя, а так же для жидкого аммиака в насосно-циркуляционных
системах. В последнем случае применяются специальные аммиачные насосы.
Для перекачивания воды и рассола применяются центробежные, осевые, про-
пеллерные, поршневые и плунжерные насосы. Наибольшее применение нашли
иентробежные насосы.
Регулирующие вентили (дроссель-вентили) служат для осуществления термо-
динамического процесса дросселирования, бывают ручного управления и авто-
матические. В любом случае они регулируют заполнение испарительной систе-
мы хладагентом в зависимости от величины перегрева всасываемого в ком-
прессор пара. При увелечении перегрева из-за недостаточного поступления
хладагента в испаритель проходное сечение вентиля увеличивается и, наоборот,
при избытке агента и понижении перегрева оно уменьшается.
186 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава;
Автоматизация холодильных установок поддерживает температуры хлад-
агентов в требуемых пределах при изменениях внешних воздействий, питал
сосуды и испарители хладагентом, поддерживает давление конденсации. При-
менение приборов автоматической защиты позволяет предупредить аварийные
режимы.
4.6.9. Пути повышения экономичности парокомпрессионных
холодильных машин
Экономичность парокомпрессионных машин зависит от затрат энергии на
осуществление цикла. При этом следует учитывать температуру ТПн, 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 КПД % (формула 4.10), причем он
учитывает и холодильный коэффициент. Размеры аппаратов и трубопроводе»
зависят от расхода холодильного агента тха, который определяется заданной Q,
и удельной 9пн холодопроизводительностью (формула 4.11). Расход холодильно-
го агента тха и удельная работа цикла /ц определяют потребляемую установкой
мощность N, т.е. расход электроэнергии (формула 4.12). Следовательно, чем
больше удельная теплота процесса изотермного расширения в цикле ?пн и чем
меньше удельная работа, затрачиваемая на осуществление цикла /ц, тем больше
е и г]е и меньше тпха 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 технологически!!
аппаратов — потребителей холода. С понижением температуры кипения (ли-
ния 4а—1а вместо линии 4—1 на рис. 4-11 а) 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—1л
вместо 1—2 на рис.4-Па), 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-/).
Циклы: процессы и установки Ф
187
Рис. 4-11. Изменение цикла парокомпрессионой холодильной машины: а - при изменении
ГПН1 б - при изменении Т перегрева, в - при изменении Тпв, г- при наличии переохлажде-
ния.
При нормальной эксплуатации холодильной установки температуру испарения
(кипения) хладагента поддерживают на 5 К ниже температуры хладоносителя
(рассола), который должен быть охлажден на (8... 10) К ниже температуры
технологических аппаратов — 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 отдельных аппаратов — потребителей холода во время работы
холодильной установки может привести к понижению температуры испарения.
2. Компрессор должен работать на устойчивом сухом ходу. Для этого тем-
пература всасываемых паров хладагента должна быть на (5... 15) К выше тем-
пературы испарения для аммиака и на (20... 30) К для фреона. При попадании
жидкости в компрессор возможен гидравлически удар.
При излишнем перегреве паров хладагента (точка 1Ь вместо точки 1 на
рис.4-116) процесс в конденсаторе начнется от точки 2Ь вместо точки 2 и окон-
чится в точке ЗЬ вместо точки 5, т. е. пары хладагента не полностью сконденси-
188 -v- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА + Глава!
руются. Дросселирование сместится на линию ЗЬ—4Ь. Испарение начнется от
точки 4Ь, удельная холодопроизводительность уменьшится. Такое смещение
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 (линия 2с—Зс вместо линии 2-
3 на рис. 4-Не) увеличивается давление конденсации, а, следовательно, и ра-
бота цикла (линия 1—2с вместо линии 1—2), уменьшается удельная теплота
испарения (линия 4с—1 вместо линии 4—1). Давление и температура конденса-
ции зависят от количества и температуры воды, поступающей на конденсатор:
чем холоднее вода и чем больше ее поступает, тем ниже 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 типа (элементных, кожухотрубных)
и (2... 3) К — на оросительных. При использовании градирни для пониже-
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. При высокой стоимости охлаждающей воды для
ее экономии работают с более высоким давлением конденсации и повышен-
ным расходом электроэнергии на компрессор. Подачу воды в этом случае
автоматизируют. Наибольшая экономичность работы холодильной установки
достигается при охлаждении конденсатора артезианской водой. Холодильная
установка при этом работает с повышенной холодопроизводительностью и по-
ниженным 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 (линия 3—3d на рис. 4-11г) уве-
личивает удельную холодопроизводительность (линия 4d—l вместо 4—1). Пе-
реохлаждение конденсата хладагента происходит в теплообменных аппаратах-
переохладителях, которые устанавливаются между конденсатором и регулиру-
ющим дроссель-вентилем. Вода обычно сначала поступает на переохладитель,
а затем на конденсатор. Иногда 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, поступающей на переохладитель. При
переохлаждении хладагента на один кельвин холодопроизводительность уста-
новки увеличивается на 0,4%.
5. Для безаварийной и экономичной работы холодильной установки следует
сначала охлаждать технологические аппараты водой до температуры (+20...+
+ 30) °C, и только после этого хладоносителем, например рассолом. При этом
вода и хладоноситель должны подводиться в различные теплообменные устрой-
Циклы: 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 ЮК.
В химических и биотехнологиях, когда требуется охлаждение технологиче-
ских аппаратов до (5... 15)°C, достаточно применение хладоносителей с тем-
пературой (0... +10) °C, 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 Qo =
= Ж кВт при следующих условиях: 1) температура испарения tnH = -15 °C;
температура конденсации tne = +31 °C; 2) tnH = -15 °C; tne = +25 °C; 3) tnH =
= -10°C; t„e = +31 °C; 4) tnH = -15°C; tne = +31 °C; t0XJI = +25°C. Сравнить
полученные результаты.
Решение.
1. При температуре конденсации аммиака tnB = +31 °C, давление конденса-
ции рпв= 1,2 МПа, температура испарения Спн = -15 °C соответствует давлению
рпн = 0,25МПа, (см. прил. 7 и рис.4-12, точки с индексом а). При давлении
испарения энтальпия насыщенного пара аммиака Л1 = 1663 кДж/кг. После
сжатия в компрессоре до давления конденсации энтальпия перегретого пара
аммиака h2 = 1903 кДж/кг. При давлении конденсации конденсат аммиака
имеет энтальпию h3 = 566 кДж/кг. При дросселировании энтальпия остается
постоянной hi = h3 = 566 кДж/кг.
Удельная теплота испарения
9пн = hi - hi = 1663 - 566 = 1097 кДж/кг.
190 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава!
Удельная теплота конденсации
9пв = h3 - h2 = 566 - 1903 = -1337 кДж/кг.
Удельная работа цикла — это работа для повышения давления от рпн до рпв
/пв = —(Л2 - /и) = -(1903 - 1663) = -240кДж/кг.
Холодильный коэффициент цикла
е = = 2^1 = -4,57.
/пв 240
Эксергетический коэффициент, согласно уравнениям (4.10) и (4.8):
т?е = е (1 - А) = -4,57 • А - 2 д93 ) = 0,620.
\ -*пн/ \ 273 15/
Удельный расход холодильного агента из уравнения (4.11):
Оо 300
mxa — - — inQ7 — 0,273 кг/с.
^пн 1097
2. При снижении температуры конденсации до tnB = +25 °C давление кон-1
денсации уменьшается до рпв = 1,0 МПа. (На рис. 4-12 точки с индексом J) j
Тогда hi = 1663; h2 = 1869; h3 = h4 = 541 кДж/кг;
<7пн = hi - Л4 = 1663 - 541 = +1122 кДж/кг;
9пв = h3 - h2 = 541 - 1869 = -1328 кДж/кг;
/пв = ~(h2 - hi) = -(1869 - 1663) = -206 кДж/кг;
9пн 1122
е = = -5,45;
/пв 206
/ То \ / 293
т)е = е I 1----I = —5,45 -11---------
\ Тпн/ \ 273- 15
nixa = Qo/Чпн = 300/1122 = 0,267 кг/с.
Таким образом, снижение температуры конденсации на (31 - 25) = 6 К привело
к увеличению холодильного коэффициента на (5,45 - 4,57) • 100/4,57 = М
эксергетического КПД 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. При увеличении температуры испарения до 4ПН = -10°C давление амми-
ака при испарении увеличивается до рпн = 0,29 МПа. Давление и температура
при конденсации аммиака рпв = 1,2 МПа, 4Пв = +31 °C. (Точки с индексом с на
рис. 4-12).
Тогда hi = 1672; h2 = 1873; h3 = h4 = 566 кДж/кг;
Зпн = hi - ht = 1672 - 566 = 1106 кДж/кг;
<7пв = h3 - h2 = 566 - 1873 = -1307 кДж/кг,
/пв = ~(h2 - hi) = -(1873 - 1672) = -201 кДж/кг;
"ПВ ZU1
„е = £ (1 - A) = _5)50 • Л - 2.?93 ) = 0,627;
\ ПН / \ z < О 1U /
= 0,739;
Циклы: процессы и установки Ф 191
тха = — = = 0,271 кг/с.
Япн U06
Следовательно, повышение температуры испарения на [-10 - (-15)] = 5 К
по сравнению с первым вариантом расчета увеличило е на (5,50-4,57) 100/4,57 =
= 20%, увеличило г)е на (0,627-0,620)-100/0,620 = 1%, и практически не изменило
Wa-
4. При условиях испарения и конденсации аммиака как в первом варианте
задачи, но при наличии переохлаждения конденсата до +25 °C (точки с индек-
сом d на рис. 4-12) /п = 1663; Л2 = 1903; h3 = h4 = 541 кДж/кг;
9пн — hi —h4 = 1663 - 541 = 1122 кДж/кг;
Япв = h3 - Л2 = 541 - 1903 = -1362 кДж/кг;
293
273 - 15
= 0,635;
/пв = ~(h2 - hl) = -(1903 - 1663) = -240 кДж/кг;
е = = -4,68;
^пв 240
% = е(1-^ =-4,68 - (1
\ 1 пн / \
Переохлаждение конденсата холодильного агента на (31 - 25) = 6 К (при усло-
виях конденсации и испарения первого варианта) привело к увеличению е на
(4,68-4,57) • 100/4,57 = 2,4%, увеличению т)е на (0,635 - 0,620) • 100/0,620 = 2,4%
и уменьшило тха (как во втором варианте) на 2,2%.
4.7. АБСОРБЦИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Абсорбционные холодильные машины (АХМ) относятся к теплоиспользую-
щим 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 жидким растворителем, давление
раствора повышается насосом, после этого холодильный агент извлекается из
раствора путем десорбции (выпаривания) в аппарате, называемом генератором.
Остальные процессы в АХМ, 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 обычно используют
водоаммиачные и бромисто-литиевые растворы, а также фреоны.
192 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ГлаваЗ
Водоаммиачная АХМ работает на
ся холодильным агентом, а вода —
пература испарения хладагента tmi =
Рис. 4-13. Водоаммиачная абсорбционная
холодильная машина.
бере отводится охлаждающейся водо!
растворе, в котором аммиак являет-
абсорбентом. В таких машинах тем-
(-10...—30) °C. Принципиальная схема
водоаммиачной АХМ приведена на
рис. 4-13. Пары аммиака 1 образуют-
ся в испарителе И при давлении ря
и <пн и засасываются в термохимиче-
ский компрессор КМтх- После сжа-
тия в КМтх пары 2 (при давлении
и температуре fnB) поступают в конден-
сатор К, где конденсируются за счет
водяного охлаждения ос при темпера-
туре окружающей среды, отдавая теп-
лоту <9пв- Жидкий аммиак 3 дроссе-
лируется через дроссель-вентиль ДР1
(давление и температура понижаются
до рпн и £Пн) и поступает в испаритель
И, где испаряется при кипении, отби-
рая теплоту Qo от хладоносителя хн.
Термохимический компрессор со-
стоит из абсорбера АС, генератора
Г, насоса Н и дроссель-вентиля ДР2.
В абсорбере АС пары аммиака 1 погло-
щаются слабым водоаммиачным рас-
твором 6. Образующийся крепкий рас-
твор 7 содержит около «/кр = 32% ам-
миака. Теплота QA, выделяющаяся при
поглощении паров аммиака в абсор-
при температуре окружающей среды.
Крепкий раствор насосом Н перекачивается в генератор Г. Для перекачивания
затрачивается работа насоса £н, давление раствора повышается от рпн до Рпв-
В генераторе Г за счет подвода теплоты Qr образуются пары и обогащаются
аммиаком до уп = (99,5...99,8)% масс. (В водоаммиачных АХМ генератор
представляет собой ректификационную установку). В остающейся жидкости
5 (слабом растворе) содержание аммиака уменьшается до уСл = 19,5%. Слабый
раствор 5 проходит через дроссель-вентиль ДР2, где его давление падает отрпв
до рпн и поток 6 поступает в абсорбер АС.
Энергетический баланс АХМ
LH + Qr + Qo — Qa + Ф.пв- (4.15)
Основное отличие АХМ от компрессионной заключается в том, что в АХМ
работа на привод насоса затрачивается только для повышения давления рас-
твора, эта работа пренебрежима мала. В компрессионных машинах 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 расход теплоты
в генераторе:
Qr = Qa + Фпв — Qo-
(Уравнение представлено по абсолютным величинам энергий). Холодильный
коэффициент, характеризующий совершенство теплоиспользования в АХМ:
о —
Qr
для водоаммиачных установок он составляет 0,17.. .0,50.
Удельный расход теплоты
п
уд Qo'
Эксергетический КПД установки по хладагенту
_ Qo ' (Те)пн
Qr (Те)г ’
(4.16)
(4.17)
(4.18)
где (те)пн — эксергетическая температурная функция для испарителя, (те)пн =
= (Тпн - ТосУТпн; (те)г — эксергетическая температурная функция генератора,
в котором температура подводимой теплоты Тг, (те)г = (Тг - 7ос)/7г- Пусть
насос Н подает в генератор Г гпкр крепкого раствора, с массовой долей аммиака
j/кр. Из генератора Г в конденсатор К уходит т„ паров с массовой долей
аммиака уп и стекает тсл — (ткр - тп) слабого раствора с массовой долей
аммиака усл- Тогда материальный баланс по циркулирующему аммиаку:
ГПкрУкр — (г^кр ~ ГПп)Усл + т„ун.
(4.19)
Количество раствора, поступающего из абсорбера в генератор на 1 кг образу-
ющегося пара в генераторе, составляет кратность циркуляции раствора'.
а = ^ = У^-У^ > 1. (4.20)
тп Укр ~ Усл
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 (х/кр - 2/сл)- Если усл = 0 и yn = 1, то а = 1/т/Кр. Чтобы
обеспечить усл = 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 ли-
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) °C с помощью вакуума.
Применение вакуума усложняет эксплуатацию установки и требует расхо-
да энергии на вакуум-насосы. Бромистый литий агрессивен по отношению
7-4675
194 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА -Ф- Глава!
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 установи
для кондиционирования воздуха.
АХМ просты и надежны в эксплуатации. Их холодильные коэффициента
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.
АХМ 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... + 10) °C, которую можно получить не только
в АХМ, но и в пароэжекторной холодильной машине (ПЭХМ). Эти маши-
ны являются теплоиспользующими холодильными машинами с применением
эжекции холодильного агента. Они позволяют экономить топливно-энергети-
ческие 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 Т—s координатах. Рабочий сухой насыщенный водяной пар 1 массой тп
давлением рп = (0,4...1) МПа поступает из парогенератора ПГ в сопло эжектора
Э. При истечении из сопла его давление понижается до рпн (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 Тпн, с массой тхн- В результате получается влажный пар (точка!)
массой (тхн + шп), давлением р„н- Далее из камеры смешения влажный пар
поступает в диффузор эжектора, где давление его увеличивается (процесс 3-4)
до давления рПв- Пар 4 направляется в конденсатор К, где происходит полная
его конденсация (процесс 4—5); теплота конденсации Qms отводится водой ос
Циклы: процессы и установки -6 195
1
Н ДР
а
б
Рис. 4-14. Пароэжекторная холодильная машина: а - схема, б- цикл в T-s координатах.
при температуре окружающей среды. Из конденсатора одна часть конденсата
массой тп насосом Н подается в парогенератор ПГ (процесс 5—8), другая часть
конденсата массой тхн поступает в дроссель ДР. В результате дросселирования
до давления рПн (процесс 5—6) получается влажный пар (точка 6), который
поступает в испаритель И. В испарителе под вакуумом кипит и испаряется
вода. Остаточному давлению рПн = (0,7...1,2) кПа соответствует температура
(и = (4...10) °C. Эта вода является одновременно хладоносителем. Нагреваясь
употребителей холода, т. е. получая теплоту Qo, вода возвращается в испаритель
И, где испаряется за счет этой теплоты.
196 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава4
В парогенераторе ПГ подводится теплота Qn, в результате чего конденся
массой тп превращается в сухой насыщенный пар с давлением рп (процесс
8—9—1).
Энергетический баланс пароэжекторной холодильной машины (в абсолют-
ных величинах):
Qn + Qo = Qhb- (4.21)
Холодильный коэффициент пароэжекторной машины:
_ Qo
£~ Qn
он обычно не превышает 0,2.
Удельный расход теплоты на единицу холода:
__Qn___1
Пуя “ О'о ~ ~е'
Расход теплоты на получение рабочего пара:
Qn = тп(Л1 - Л5),
(4.22)
(4.23)
(4.24)
где /ii — энтальпия рабочего пара, — энтальпия конденсата.
Расход теплоты, отводимой от потребителя холода на испарение воды:
Qo = mm(h7 - h6),
(4.25)
где hr — энтальпия инжектируемого пара из испарителя, h6 = h5 — энтальпия
пара после дросселирования.
Расход теплоты в конденсаторе:
Qne = (™п hi + ™хн • h7) - (mn + Шхн) • h5. (4.26)
Обозначив расход рабочего пара, приходящегося на 1 кг инжектируемого пара
из испарителя, через тп/тхн = И, получим
/г7 -/г5 и
hr - h5 ’
Как показывают опытные данные, И = 2,5... 4,1 кг/кг, если рп/рПн = 4,5.. .8,0.
Эффективность пароэжекторных установок сравнивается по эксергетиче-
ским КПД
(4-27)
(4.28)
_ QoTe
mn(ei - е5) ’
где те = (ТПн - Тос)/Тпн — эксергетическая температурная функция для теплота
Qo', ei и eg — эксергии рабочего пара и конденсата (точки 1 и 5 на Т-я
диаграмме). Эксергетический КПД 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 габарита
Циклы: процессы и установки -ф- 197
оборудования и коммуникаций; работа аппарата под вакуумом; трудность ре-
|улирования холодопроизводительности, так как установка эффективна только
при полной нагрузке. Обычно регулирование приходится осуществлять путем
отключения части параллельно работающих эжекторов.
4.9. ГАЗОВЫЕ КОМПРЕССИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ
МАШИНЫ
В газовых компрессионных 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-
мещать большие объемы циркулирующего воздуха. Для выработки единицы
холода требуется подавать значительные количества воздуха из-за его малой
теплоемкости. В этих машинах получают холод при температурах ^пн < (—60...—
-80) °C.
На рис. 4-15 изображена схема такой машины и ее цикл в T—s координа-
тах. Воздух при температуре 1\ и давлении рПн поступает в турбокомпрессор
КМ, где он адиабатно сжимается (процесс 1—2). В теплообменнике АТ воздух
изобарно охлаждается до температуры Ts, практически равной температуре
окружающей среды Тос, отдавая теплоту дОхл-
Дальнейшее охлаждение воздуха при давлении рПн (изобарный процесс
3-4) происходит в регенеративном теплообменнике ТР, отдаваемая теплота
9з-4. При адиабатном расширении воздуха (процесс 4—5) в турбодетандере ДТ
давление и температура воздуха понижаются до рпн и Т5, при этом от детандера
отводится работа 1дт, которая передается на вал компрессора. Холодный воздух
с температурой Т5 поступает к потребителю холода пх в холодильнике X, воздух
изобарно нагревается от Т5 ДО Т6, отбирая теплоту Дальнейший нагрев
воздуха при давлении рПн (изобарный процесс 6—1) происходит в регенератив-
ном теплообменнике ТР, при этом воздух получает теплоту g6-i от встречного
охлаждаемого потока воздуха, поэтому g6-i +<7з-4 = 0. Работа цикла = 1км+^т>
теплота цикла дц = ?охл +дз-4+<?пн+?6-i = Чом+<7пн- Работа цикла равна теплоте
цикла /ц = qu.
Холодильный коэффициент цикла:
_ #пн _ (7пн __ (7пн
^км + ^дт Яохл + </пн
Эксергетический КПД по холодильному агенту
rie = е(те)пн = еТсрт Тос, (4.29)
^ср
198 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА -Ф- Глава4
Рис. 4-15. Газовая холодильная машина: а - схема, б-цикл в Т - s координатах.
Циклы: процессы и установки 199
где Тер — средняя температура холодильного агента при подводе к нему q„H,
Тср = СП> + Т6)/2.
На 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
воздух до атмосферного давления. При этом кроме получения холода может
быть использована теплота выходящего из компрессора воздуха с температурой
(100.. .120) °C.
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 (ТНУ) или тепловыми насосами (TH) на-
зываются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии
в форме теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню,
необходимому для теплопотребления. Основное назначение этих установок
состоит в использовании сбросной теплоты (тепловых отходов производства),
а также 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 веществ (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 ТНУ возможно как для теплоснабжения жилых помещений
и общественных зданий, так и для производственных процессов. ТНУ 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 Глава4
Рис. 4-16. Парокомпрессионная ТНУ с замкнутым циклом: а - схема, б - цикл в T-s
координатах.
s
б
4.10.1. Компрессионные ТНУ
Компрессионные ТНУ могут работать как по замкнутому циклу, так и по
разомкнутому. Схема ТНУ, работающая по замкнутому циклу (рис.4-16),
принципиально ничем не отличается от схемы парокомпрессионной холодиль-
ной машины. Однако присоединение потребителей в ХУ и ТНУ осуществляет-
ся по-разному. В схемах ХУ потребитель (холода) присоединен к испарителю,
а в ТНУ потребитель (теплоты) подсоединен к конденсатору.
В результате подвода низкопотенциальной теплоты </Пп = Лх - Л< от источ-
ника ос в испарителе И происходит кипение рабочего агента (процесс 4-1)
при давлении рПн и температуре Тпн. Пары 1 поступают в компрессор КМ, где
сжимаются (процесс 1—2) до давления рПв> температура паров повышается. На
повышение давления затрачивается работа
^пв = hi h2.
Затем пары 2 охлаждаются и конденсируются в конденсаторе К (процесс 2-J)
при постоянном давлении рПв, температура конденсации Тпв- При охлаждении
и конденсации выделяется теплота дпв = h3 - h2, отбираемая потребителем
теплоты пт. Конденсат 3 проходит через дроссель-вентиль ДР. В процессе
дросселирования (3—4) энтальпия остается постоянной /14 = h3, давление
и температура понижаются до рПн и Тпн. Цикл замыкается. Как и для всякого
цикла /ц = qu. В данном случае 1Ц = /пв, дц = <7ПВ + <7пн-
В циклах, работающих в области перегретого пара (газа), вместо дроссель-
вентиля может быть установлена расширительная машина (турбина или детан-
дер), тогда работа цикла складывается из работы /Пв и работы, отводимой от
расширительной машины /пн, /ц = 1Пв + 1пн- Все остальные процессы и формулы
остаются теми же, что приведены для цикла с дроссель-вентилем.
Основной термодинамической характеристикой ТНУ является коэффици-
ент преобразования (коэффициент трансформации), который есть отношение
Циклы: процессы и установки ❖ 201
количества теплоты, отданной потребителю, к затраченной в цикле работе
= (4.30)
1ц
Так как величины qnB и 1и всегда отрицательны, то коэффициент преобразова-
ния <р имеет знак плюс. Коэффициент преобразования всегда больше единицы.
Теплота qnB = 1ц- qnH, или в абсолютных величинах |<7ПВ| = Rd + |дПн|, т.е. по
абсолютной величине всегда больше |<7пн|- Таким образом, в ТНУ потре-
битель получает теплоты больше, чем при любом другом способе обогрева.
Применение ТНУ считается выгодным, если отношение Тпв/Тпн»!. 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
Тцб 1 /Л 21\
У’к = 7---7— = т------т \ • (4.31)
-*ПВ -*ПН / _ £пн \
\ Тпв)
Из этого выражения видно, что чем меньше разница между ТПн и Тпв, тем выше
коэффициент преобразования. Например, если Тпн = (20 + 273) К и Тпв = (120 +
+ 273) К, т. е. Тпв/Тт = 1,3 « 1, то <рк — 4; если Тпн = (20 + 273) К и Тпв = (250 +
+ 273) К, т. е. Тпв/Тпн = 1,8 « 2, то = 2.
Системы оборотного водоснабжения круглый год имеют температуру
(+20..+30) °C, эти системы можно считать основными источниками теплоты
для ТНУ. Сбросную теплоту процессов выпаривания, сушки, перегонки,
а также вентилляционных выбросов целесообразно утилизировать, применяя
ТНУ, так как во всех этих случаях Тпв/ТПн «1.
Величину <р неудобно использовать для сравнения теплонасосных устано-
вок с разными температурами подвода низкопотенциальной теплоты и разны-
ми температурами отпуска теплоты потребителю. Для этих целей используется
жсергетический КПД
7,е = (4.32)
евх
где епв — эксергия теплового потока в конденсаторе, евх — подведенная эксер-
гия, недбходимая для работы ТНУ;
/ Тос\
епв = 9пв I 1 ~ ) = QneTe,
\ пв/
еВх = 1ц-
В результате
% = ¥>те. (4.33)
Для цикла Карно, если Тпн = Т^, то r)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 -Ь ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
•0- Глава)
Рис. 4-17. Парокомпрессионная ТНУ с разомкнутым циклом: а - схема, б - цикл в T-i
координатах.
при невысоких давлениях, быть нетоксичными, не вызывать коррозию, имен
низкую стоимость. В качестве рабочих агентов ТНУ применяются фреон-П,
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, грунт. Если теплоотдатчиком явля-
ются продукты, полупродукты или отходы промышленного производства, то
энергетический эффект работы ТНУ увеличивается не только за счет того, что
Тпн > 2ос, но и за счет утилизации сбросной теплоты (см. главу 6).
При разомкнутом цикле испарение рабочего агента и его конденсация сов-
мещены в одном технологическом аппарате. Схема ТНУ значительно упроща-
ется. Такие ТНУ 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—7) при давлении рПн и температуре:
Тпн. На испарение потребляется теплота дПн = hi - /14. Пары 1 сжимаются
(процесс 1—2) компрессором КМ от давления рПн ДО давления рПв, при этом
затрачивается работа 1км = hi - h2. При охлаждении паров 2 до температуры
конденсации Тпв и их конденсации (процесс 2—3) выделяется теплота (/пв = h3-
- h2. 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 влагоотделителя ВД. Материальный баланс цикла:
ГП4 = Ш5 + ТП1,
где т4 и т5 — массовые расходы потоков 4 и 5; mi — расход пара 7, mi -
= т2 = т3; пар 7 является рабочим агентом цикла. Все остальные расчетные
формулы остаются такими же, как для замкнутого цикла.
Циклы: процессы и установки 203
Пример расчета применения ТНУ в процессе выпаривания дан в гл. 6
(пример 6.3).
При любой схеме компрессионного 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
Ю0м3/с. Эти типы компрессоров чувствительны к попаданию влаги в про-
точную часть, и их КПД сильно уменьшается при уменьшении нагрузки.
Винтовые компрессоры широко используются для сжатия двухфазных сред
и обладают хорошим объемным и адиабатным КПД 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 Юм3/с. Отношение давлений в одноступенчатой машине достигает 7,
в двухступенчатой 14. Винтовой компрессор имеет ряд характеристик, которые
делают его очень удобным для применения в ТНУ. У него низкая скорость
и 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 жидкой 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 разных
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 дешевизной, 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 КПД турбины резко уменьшается,
т.е. она не может применяться в установке с большим диапазоном изменения
нагрузок. При использовании в качестве привода ДВС появляется возможность
использовать теплоту воды, нагретой в охлаждающем контуре двигателя и теп-
лоту выхлопных газов.
Компрессионные тепловые насосы имеют сравнительно высокий КПД
и небольшие габариты. Недостатком их является дороговизна и сложность из-
готовления, а также большие расходы механической энергии при значительном
повышении давления. Область применения этих ТНУ — 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 О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА -Ф- Глава)
используются в системах тепло- и хладоснабжения, в технологических процес-
сах.
мер, для утилизации
Рис. 4-18. Пароэжекторная ТНУ.
4.10.2. Пароэжекторные ТНУ
Пароэжекторные ТНУ работают только по разомкнутой схеме. В них при-
меняются паровые эжекторы, по принципу действия аналогичные струйной
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 предела
от 1,2 до 4.
На рис. 4-18 представлена схема такой установки, применяемой, напри-
гы вторичного пара в процессе выпаривании
Э — пароструйный эжектор, АВ — выпарной
аппарат, 1 — рабочий пар высоких параметре!
который сжимает низкотемпературный пар 2 до
параметров, необходимых для использования ев
в качестве греющего пара 3 (пар средних пара-
метров), 5 — разбавленный раствор, 6 — концен-
трированный раствор, 7 — конденсат греющею
пара, 4 — избыток пара средних параметров.
В многокорпусных установках эжектор мож-
но устанавливать за любым корпусом установ-
ки. Чем ниже давление всасываемого пара, тем
полнее утилизация теплоты, но требуется боль-
ше энергии на сжатие. Место установки эжекто-
ра должно определяться на основании технико-
энергетических расчетов.
Струйные ТНУ просты в изготовления
и в обслуживании, компактны и дешевы. К недостаткам относится низкий
КПД (около 20...25%), который ухудшается при работе компрессора в режима,
отличных от расчетного.
Струйные ТНУ применяются, например, для утилизации теплоты за-
грязненных жидкостей, теплоты вторичного пара выпарных установок и др.
(см. главу 6).
4.10.3. Воздушные ТНУ
В рассмотренных выше теплонасосных установках в качестве рабочих аген-1
тов использовались пары разных веществ. Однако рабочим агентом может был |
Циклы: процессы и установки Ф 205
Рис. 4-19. Воздушный TH с положительным циклом: а - схема; б - цикл в Т-s координатах.
и воздух. Причем возможны две модификации TH, работающих на воздухе:
положительный цикл и отрицательный цикл.
В положительном цикле, цикле Брайтона (рис. 4-19) воздух засасывается
компрессором КМ в состоянии 1, сжимается с повышением температуры до
состояния 2, охлаждается в теплообменнике АТ при постоянном давлении до
состояния 3 и расширяется в турбине (турбодетандере) ДТ до состояния 4.
Поскольку Т4 < Т\, в дальнейшем выброшенный холодный воздух нагрева-
ется до состояния Ti 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
мощности, затраченной на привод компрессора. Описанный тепловой насос
целесообразно применять, например, в конвективных сушильных установках.
Коэффициент преобразования для такой установки
У ат
m — ---------,
Акм + АдТ
где QaT — теплота, отдаваемая в теплообменнике, Лгкм и Адт — мощности ком-
прессора и детандера. Чем выше уровень совершенства детандера и компрес-
сора, тем выше ц>. В настоящее время, когда КПД 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 расширении 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 КПД
этих машин. Кроме того, широкое развитие получили контактные воздухо-
нагреватели, в которых холодный атмосферный воздух нагревается за счет
непосредственного контакта с водой. Такие установки целесообразны во всех
206 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА <0- Глава
Рис. 4-20. Воздушный TH с отрицательным циклом: а - схема; б - цикл в Т-s координата!
случаях отопления, совмещенного с вентиляцией, применяемого для произ-
водственных помещений.
Схема отрицательного цикла изображена на рис. 4-20. Атмосферный воз-
дух 1 (например, с температурой ti = -10 °C) поступает в детандер ДТ. Поем
расширения (процесс 1—2) холодный воздух (например t2 = -15 °C) подаета
в подогреватель АТ (аппарат теплообменный), где нагревается (процесс 2-
3), например сточными водами до t3 — +6 °C. Нагретый воздух 3 сжимается
(процесс 3—4) компрессором КМ до атмосферного давления, его температур
при этом повышается до значения, необходимого для целей отопления и вен-
тиляции, например до ti = +18 °C. В данной схеме заданными считаются тем-
пературы и давления атмосферного воздуха и воздуха, подаваемого в систем)1
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
Р2 fcT/км ’
TAk-l
Тз)
где р2 и р4 — давления на выходе из детандера и компрессора; Ti и Т; -
температуры воздуха на выходе и на входе в компрессор, К; к — показатель
адиабаты; z/KM — КПД компрессора.
В свою очередь
Тз — Тж At,
где Тос — температура воды, подаваемой из окружающей среды, или исполь-
зуемых ВЭР; At — разность температур между водой и воздухом на выходе из
теплообменника АТ, К.
Температура воздуха на выходе из детандера
(fc — 1)т?дт
/Т! ZT1 ( \ к
Ъ =-Ч ---- I ,
\P1J
где pi — давление воздуха на входе в детандер; Ti и Т2 — температуры воздуха
на входе и выходе из детандера, К; г/дт — КПД детандера.
Циклы: процессы и установки ❖ 207
Коэффициент преобразования такой установки
= Q = Ik-Hi
Нкм + Nw + NH Nkm 4- Ngj + NH’
где Q — теплота, полученная в тепловом насосе; Hi и Hi — энтальпии потока
воздуха на входе и выходе из теплового насоса; Лгкм, ЛГДТ, NH — 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 нагрев воздуха,
но и выполняет функции 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 ТНУ 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 ожиже-
ния воздуха и последующего разделения его на входящие компоненты.
Получить жидкий газ возможно только при температурах ниже критической
(см. раздел 1.2), которая для воздуха составляет -140,6 °C; для азота -145,9 °C;
для кислорода -118,4 °C; для гелия -267,95 °C. Далее рассматриваются только
энергоемкие системы криообеспечения, т. е. криоожижители.
Для внутреннего охлаждения рабочего тела, в данном случае воздуха, как
и в холодильных установках, используются процессы дросселирования и де-
гандиро вания.
На рис. 4-21 показана схема криоожижителя и основные процессы на Т - s
диаграмме.
Воздух 1 сжимается от рОс до рПв и охлаждается до температуры Т2, близ-
кой к Тос. Сжатие может производиться как в одном компрессоре КМ, так
и в нескольких последовательно включенных компрессорах (двух и более)
с промежуточным водяным или воздушным охлаждением в теплообменни-
ках АТ. В установках низкого давления воздух сжимается до давлений рПв =
= 0,50... 0,55 МПа, в установках среднего давления рПв = 3 МПа, в установках
208 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА <0- Глаи4
а
Рис. 4-21. Типовая
координатах (б).
принципиальная схема криоожижителя (а) и процессы в нем в Т-»
высокого давления рпв = 20 МПа. 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
ТР1 обратным потоком расширенного воздуха или используется дополнитель-
ное внешнее охлаждение (отвод теплоты <ЭДОП) 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 рос, а температура до Т4, и он смешивается с обратным потоком воздуха
(точка 4).
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 -ф- 209
ДР дроссель и процесс дросселирования 5—6), дроссельно-эжекторный и де-
тандерный. Первый вариант наиболее прост и надежен, но второй и третий
более эффективны.
Для отделения жидкого 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,
ТР1, охлаждая прямой поток сжатого воздуха. Температура обратного потока
воздуха при этом повышается от Т7 до Ts.
Общее уравнение энергетического баланса криоожижителя имеет вид:
mA/iKM 4- ^2 myt^hjni + ^2 <Эдоп = mA/iHp + <2 из + тжДЛж, (4.34)
где m — расход воздуха, циркулирующего в установке; ДЛкм — разность эн-
тальпий воздуха на входе и выходе в компрессор, обычно называемая удельной
холодопроизводительностью компрессора, Д/г™ = hi - h2, yi — доля воздуха,
проходящего через г-й детандер, для последовательно включенных детанде-
ров у = 1; ДЛдтг — разность энтальпий на входе и выходе г-го детандера,
обычно называемая удельной холодопроизводительностью детандера; 520доп —
суммарное количество теплоты, отведенной при дополнительном охлаждении;
Дйнр — потеря холода от недорекуперации, значение величины А/гнр = hi - hs
определяется разностью температур ДТ = Т2 - Ts на теплом конце теплооб-
менника ТР1; QH3 — потери холода через теплоизоляцию установки; тж —
расход ожиженного воздуха; Д/гж — разность энтальпий исходного и ожижен-
ного воздуха, Д/гж = hi - ho- Обычно из уравнения (4.34) рассчитывается доля
ожиженного воздуха, которая может составлять от 0,1 до 0,4:
тж Д^км + , yiShg^i + ' <?доп ~ Д^нР — <7из
Y = — =----------—---------——------------------. (4.35)
та Ah*,
Пример 4.3. В криогенной установке, работающей по простому регенеративному
циклу получают жидкий воздух. Температура воздуха до и после компрессора
+30°С. Воздух сжимается до 2ЪМПа, дросселируется до 0,1 МПа. Определить
эксергетический КПД установки, расход получаемого жидкого воздуха и необходи-
мые для этого затраты мощности, если в установку поступает 400 кг/ч воздуха.
Теплоприток через изоляцию 6,0 кДж/кг. Общий КПД компрессора 0,54.
Решение. Параметры воздуха в разных точках цикла определяются по T-s
диаграмме воздуха (см. прил. 6 и рис. 4-22): при температуре Ti = 273 + 30 =
= 303 К и давлении pi = 0,1 МПа удельная энтальпия hi = 516 кДж/кг, удельная
энтропия si = 3,75кДж/(кг-К), при температуре Т2 = Ti = 303 К и р2 = 20 МПа,
точка 2, удельная энтальпия h2 = 482 кДж/кг. При pi = 0,1 МПа жидкий воздух,
точка 0 на линии насыщения х = 0, имеет s0 = 0, h0 = 100,6 кДж/кг, То = 80 К =
= -193°С; насыщенный пар воздуха, точка 5 на линии насыщения х = 1, имеет
k = 289 кДж/кг, Т5 = 83 К = -190 °C.
210 < ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА < Глж4
Рис. 4-22. Изображение цикла криоожижителя в Т - s координатах (к примеру 4.3).
Удельная холодопроизводительность компрессора
ДЛкм = hi - h2 = 516 - 482 = 34 кДж/кг.
Доля ожидаемого воздуха в цикле рассчитывается по уравнению (4.35), которое
в задаче принимает вид
у __ Д^КМ — ?нр — <?из
hi — ho
где QHp — потери холода от недорекуперации, кДж/кг; диз — потери холода
в окружающую среду через изоляцию, кДж/кг, диз = 6,0 кДж/кг;
9нр = СрД<,
где ср — удельная теплоемкость воздуха при температуре на выходе из теп-
лообменника, кДж/кг; Д< — разность температур сжатого воздуха, входящего
в теплообменник и расширенного воздуха, выходящего из теплообменника,
принимается Д« = 5 К. При температуре ti = 30 °C, изобарная массовая тепло-
емкость воздуха ср = 1,004кДж/(кг-К) (см. прил. 9)
<7нр = 1,004 • 5 = 5,0 кДж/кг,
У
Расход сжиженного воздуха
34,0 — 5,0 — 6,0 _
516 -100 ’ ’
тж = тУ,
тж = 400 • 0,055 = 22,2 кг/ч.
Циклы: процессы и установки ❖ 211
Мощность двигателя многоступенчатого охлаждаемого компрессора рассчиты-
вается по уравнению (3.21) с учетом уравнения (3.6)
mRTr In —
дг —_________2L
7/км
где R = 0,287кДж/(кг-К) — удельная газовая постоянная воздуха (см. прил. 10),
Ъ — общий КПД компрессора.
400 • 0,287 • 303 • In
Ми, =---------= 3,4 • 105 кВт-ч.
U,54
Удельный расход энергии на получение 1 кг жидкого воздуха
ч 4.1 п5
«уд = ... = 1,5 • 104 кДж/кг.
ZZ^Z
Удельная эксергия жидкого воздуха
€q — ho hoc Soc),
где hoc = hl = 515,4 кДж/кг; Soc = si = 3,75 кДж/(кг-К); s0 = 0; Тж = T\ = 303 K.
e0 = 100,6 - 515,4 - 303(0 - 3,75) = 721,4 кДж/кг.
Эксергетический КПД установки
во
'Че = -,
Пуд
721,4 _
’" = 17Л<? 100 = 4-7%-
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
3-4 и изотермного расширения 4—1.
Эффективность совмещенного цикла характеризу-
ется коэффициентом эффективности А, рассчитывае-
мым по абсолютным значениям величин теплоты и ра-
боты:
А = (4.36)
гц|
Рис. 4-23. Цикл Карно
для совместного получе-
ния теплоты и холода.
212 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Глава!
где Qne — теплота, отводимая от цикла при повышенной температуре Тт дм
изотермного сжатия рабочего тела; дПн — теплота, подводимая к циклу пр#
пониженной температуре Тин для изотермного расширения рабочего тела; lu -
работа цикла, равная алгебраической сумме работ процессов 1—2 и 3-4.
Так как |дпв| = |9пн| + |/ц|, то
Л = Ы±ЕфЬЫ = 2|е| + 1,
Hui
где е — холодильный коэффициент.
Для обратимого цикла Карно
|<7пв| Тпв|As| Тпв
|?пн| Тпн|Дз| Гпн
таким образом, соотношение количества «теплоты» qi1b и «холода» дпн, полу-
ченных в таком цикле, находятся в зависимости от соотношения температур
Гпв и Гпн, что является недостатком совмещенного цикла.
Осуществление обратного цикла для совместного получения теплоты и хо-
лода возможно при применении одного компрессора, сжимающего один рабо-
чий агент от давления, соответствующего Тпн, до давления, соответствующего
тпв. Однако чаще применяются каскадные циклы, аналогичные циклу каскад-
ной холодильной установки (см. раздел 4.6.4). Подвод теплоты в нижнем цикле
осуществляется на температурном уровне необходимого холода, отвод теплота
в верхнем цикле — на температурном уровне потребляемой теплоты. Такие
установки целесообразно применять в биотехнологиях, в которых обычно до-
статочны £ПН~-15°С и /Пв~+90°С. В нижнем цикле в качестве рабочего агента
обычно применяется аммиак, в верхнем, например, R—142В, озонобезопасный
фреон, конденсирующийся при температурах (85... 95) °C.
4.13. ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ
Производства, использующие биотехнологии, в основном потребляют теп-
лоту при температурах ТПт ниже 150 °C (423 К). Для получения теплоты сжи-
гается топливо, температура источника теплоты Тит в таком случае составляет
около 2000 °C (2273 К). Если считать, что теплота при передаче не теряется,
то эксергетический КПД передачи теплоты равен отношению эксергетических
температурных функций (см. формулы 2.35, 2.30, 2.28). При температуре окру-
жающей среды ТоС = 293 К
х 293
„ _ 423 _ а ок
г,е ~ 293 ~
1 ~ 2273
Принципиально возможно переносить теплоту с одного температурного уровня
Циклы: процессы и установки "Ф- 213
на другой практически без потерь работоспособности теплоты, используя пря-
мой и обратный циклы. Рассмотрим такой перенос на примере циклов Карно.
При высокой температуре Гит за счет теплоты qm можно получить работу I. Для
прямого цикла Карно (см. формулу 4.2)
, _ Тит — Тпт
I — <7ит т >
J-ит
при этом часть теплоты:
_ J _ Тит — Тпт _ Тпт
9пт1 — Qm — I — Qm ~ Qm — Qm™
Im Jm
будет отдана при температуре Тпт потребителю теплоты. Если использовать
полученную работу в обратном цикле теплового насоса для переноса теплоты
с температурного уровня окружающей среды Тос на температурный уровень
потребителя Тпт, то потребитель теплоты может получить (см. формулы 4.30 и
431):
_ j _ j Тпт
Qm2 — Itp — I m m ,
J ПТ J ос
_ ^Grr ~ ^пт
9пт2 — Qm
J ИТ
Тпт
ТПТ ~ ТОс
В результате потребитель теплоты получит:
Qm — Qml Н" (7пт2?
__ Tm . Тит ~ ТПт ТПт
9пт Qm rri * (7ит rp rp rp >
Jm Jm Jm ~ Jqc
_ Упт Тит ~ Тос
Qm Qm rp m rp
Jm Jm ~~ Joe
Отношение
Qm
Qm
ТПт Тит — Тос _ ф
Тит ТПт “ Toc
(4.37)
называется идеальным коэффициентом преобразования теплоты.
При Тпт = 423 К, Тит = 2273 К и Тос = 273 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
теплоты. Эксергетический КПД соответственно возрастает также в 2,8 раза,
т.е. в рассматриваемом идеальном примере станет равен единице.
Рассмотренное устройство называется понижающим термотрансформато-
ром.
В том случае, если теплоту необходимо передавать потребителю от источ-
ника теплоты, когда Тт < Тпт, следует использовать устройство, называемое
повышающим термотрансформатором. В этом случае за счет части теплоты
214 4 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4- Глава!
источника Qm-i в прямом цикле получается работа I, при этом неиспользованная
теплота <?Ос отводится в окружающую среду при температуре Тос. Полученная
работа I затрачивается в тепловом насосе на то, чтобы преобразовать остав-
шуюся часть теплоты <?Ит2 источника и передать потребителю с температурой
Г11Т > ТИт- Идеальный коэффициент преобразования повышающего термотранс-
форматора
ф _ 9пт _ Qm
Qm *7ит1 + ?ит2
После преобразований, аналогичных приведенным для понижающего термот-
рансформатора, будет получено уравнение (4.37). Однако, так как у повышаю-
щего термотрансформатора Тпт > Тт, то Ф < 1, следовательно </Пт < ?ит-
ПРОМЫШЛЕННЫЕ
СПОСОБЫ 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 процесс осуществляется главным образом в котло-
агрегатах, 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. Состав и основные характеристики
топлива
Согласно определению Д. И. Менделеева, топливом
называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для
216 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4- Глава;
получения теплоты. Энергетическое топливо — это горючие вещества, ко-
торые экономически целесообразно сжигать в технических устройствах да
получения в промышленных целях больших количеств теплоты. Различает-
ся органическое и ядерное топливо. Органическое топливо выделяет теплоту
при химической реакции окисления кислородом. Ядерное топливо выделяй
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, SO3, NO и NO2. 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,
СО2, Н2, СН4 и др), которые выделяются из массы твердого топлива (в ос-
новном угля) при его нагревании от ПО до 1100 °C без доступа воздуха. После
выделения всех летучих веществ топливо превращается в кокс, содержащий до
90% углерода. Топливо с большим выходом летучих веществ лучше воспламе-
няется и горит (газовое топливо воспламеняется мгновенно).
Промышленные способы получения теплоты 217
5.2.2. Теплота сгорания топлива
Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого или
жидкого топлива и 1 м3 газообразного топлива, называется удельной теплотой
сгорания топлива.
При сгорании 1 кг углерода выделяется 34 МДж теплоты, при сгорании 1 кг
водорода выделяется 278 МДж, 1 кг серы — 9 МДж.
Различают высшую теплоту сгорания, <£, и низшую теплоту теплоту сго-
рания, (?н. 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 влаги.
Максимальная теплота сгорания твердых видов топлива доходит до <?£ =
= 28МДж/кг, мазутов = 39МДж/кг, газов <$ = (4...40) МДж/м3.
Теплоту сгорания можно приблизительно рассчитать, зная состав топлива
и теплоты сгорания компонентов. Для сравнения эффективности различных
топлив пользуются понятием условного топлива, теплота сгорания которого
принимается равной 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг), что соответствует теплоте
сгорания хорошего малозольного сухого угля. Таким образом, тепловой эк-
вивалент любого топлива выражается соотношением:
С помощью теплового эквивалента расход сжигаемого топлива (В) пересчи-
тывается на расход условного топлива (Вусл), единицами измерения которого
является «тут», что означает «тонн условного топлива»:
вусл = ВЭ. (5.2)
Пример 5.1. Сравнить экономичность топливных печей: одна из них сжигает
0,18 кг бурого угля, другая — 0,16 кг каменного угля для получения 1 МВт теплоты.
Низшие теплоты сгорания этих топлив соответственно равны 14,5 и 16,7 МДж/кг
рабочей массы топлива.
Решение. Расход условного топлива рассчитывается по формулам (5.1) и
(5.2):
в - в<&
Вусл ~ 29^33
Для печи, работающей на буром угле:
14 5
Вусл = °’18 • = °-089 кг/МВт.
Для печи, работающей на каменном угле:
Вусл = °-16 • = °>091 кг/МВт-
Следовательно, печь, работающая на буром угле, экономичнее, хотя сжигает
больше натурального топлива.
218 < ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА > Главаа
5.2.3. Подготовка органического топлива к сжиганию
Твердое топливо в современных установках сжигается в виде пыли, которая
вдувается в топочную камеру воздухом и во взвешенном состоянии сгорает в ее
объеме. Это камерный (факельный, вихревой) способ сжигания.
В промышленных котлах небольшой производительности твердое топливо
сжигают в объеме слоя, укладывая его на колосниковую решетку — слоевое
сжигание.
При камерном способе сжигания разгружаемое из вагонов топливо электро-
магнитным 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 пылеприготовления.
Газовое топливо перед сжиганием фильтруется, после этого его давление
понижается от (5...6) • 105 Па в магистральном трубопроводе до (0,8... 1,3)-10s Па
в горелке.
Жидкое топливо (в основном мазут) фильтруется, подогревается (что сни-
жает его вязкость и облегчает распыл в форсунках) и насосами под давлением
до (3,5... 4,5) МПа подается на сжигание.
Зажигание горючей смеси происходит в топке топочными газами, которые
имеют высокую температуру. Для растопки установки, работающей на твердом
топливе, используется газ или мазут. После того как топка хорошо прогреется,
переходят на угольную пыль.
Горение органического топлива — это химическая реакция окисления го-
рючих элементов, сопровождающаяся выделением теплоты. Окислителем яв-
ляется кислород воздуха. Скорость реакции должна обеспечивать устойчивое
горение (очень быстрая реакция может привести к взрыву). Устойчивое го-
рение возможно при подаче топлива и окислителя в топку в необходимом
соотношении. Максимальное тепловыделение происходит при стехиометриче-
ском соотношениии. 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.
Отношение действительного количества воздуха, подаваемого в топку, к те-
оретическому называется коэффициентом избытка воздуха аю. Он зависит от
выхода летучих веществ, конструкции топки, эффективности перемешивания
топлива с воздухом и др.
В современных установках на твердом топливе авз = 1,2... 1,25. Для устано-
вок на жидком и газообразном топливе авз = 1,05... 1,1.
В процессе горения образуются топочные газы: оксид азота, диоксид азота,
диоксид серы, триоксид серы, водяной пар, углекислый газ. При недостатке
кислорода возможно неполное сгорание углерода и образование угарного газа.
При недостаточной температуре горения частично остается молекулярный азот
из топлива и воздуха. При сжигании газообразного топлива возможен выход
молекулярного водорода и метана. При 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 из уравнения материаль-
ного баланса процесса горения. Так как топочная камера и газоходы во время
работы находятся под разряжением, то может происходить подсос холодного
воздуха из окружающей среды в газовый тракт через различные неплотности.
В результате объем газообразных продуктов сгорания становится несколько
больше расчетного, что приводит к понижению температуры горения и КПД
установки.
Зная объем воздуха и продуктов сгорания, можно определить их энтальпию:
if = + (о!в3 ~ 1)-НвЗ + if золы,
где ^Hicr — сумма энтальпий продуктов сгорания, Нгсг — определяется по
справочным таблицам; (аю - 1)Ню — энтальпия избыточного воздуха. Эн-
тальпия газовой смеси рассчитывается как сумма энтальпий входящих в нее
веществ. Она нужна для составления теплового баланса процесса сгорания.
Топливо сжигается в топках промышленных печей и котельных агрегатов,
а также в камерах сгорания газотурбинных установок, реактивных двигателей,
вдвигателях внутреннего сгорания и т. д., что не характерно для биотехнологий.
Из всех образовавшихся продуктов горения безопасны для живого организ-
ма лишь водяные пары, молекулярные азот, водород и кислород, углекислый
газ. Остальные: оксиды серы, азота, угарный газ, сажа, зола, пятиокись ванадия
(образуется при сжигании мазутов) — токсичны. При взаимодействии триокси-
да серы с атмосферной влагой образуются тысячи тонн в год серной кислоты,
выпадающей 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. Жидкие радиоактивные отходы химически очищают, упаривают
(часто до сухого остатка), вводят в цементные или битумные растворы и по-
сле затвердевания хранят в могильниках. В настоящее время электростанции,
работающие на ядерном топливе, являются предприятиями, наименее загряз-
няющими окружающую среду. Однако после чернобыльской аварии некоторые
страны Западной Европы отказались от атомной энергетики.
5.2.4. Эксергия топлива
Основную долю эксергии топлива составляет его химическая эксергия.
Она равна работе, которую можно получить при обратимом переходе топлива
в продукты сгорания, а затем при переходе этих продуктов в состояние термо-
динамического равновесия с окружающей средой. В приближенных расчетах
220 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА > Главаэ
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«0,9759₽; (5.3)
• газообразного топлива, в молекуле которого содержится более одного
атома углерода: ег«0,959₽; (5.4)
каменного угля: етв «1,08д₽; (5.5)
бурого угля: етв «(1,15...1,2)9Р; (5.6)
кокса: етв »1,06дР. (5.7)
Более точные методы расчета эксергии топлив, а также дымовых газов, даны
в книге [46].
Эксергетический КПД 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 котлам.
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
КПД, повышенные тепловые и вредные технологические выбросы в окружаю-
щую среду.
Промышленные способы получения теплоты -Ф 221
В общем случае тепловые отходы включают теплоту отходящих газов, теп-
лоту технологической продукции и сопутствующих технологических отходов.
К тепловым отходам относятся также тепловые потоки через теплоизоляцию
установки. Целесообразно создавать схемы установок с внутренним и внешним
использованием тепловых отходов. Схемы с внутренним теплоиспользовани-
ем могут иметь высокий КПД топливоиспользования только при глубокой
рекуперации теплоты: нагрев исходных материалов, нагрев компонентов го-
рения (топлива и воздуха), эндотермическая обработка топлива (химическая
регенерация). В схемах с внешним теплоиспользованием 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. Печи химической технологии
Некоторые физико-химические процессы в биотехнологических производ-
ствах осуществляются при высоких (1000...1800) °C или средних (300...1000) °C
температурах в печах различных конструкций.
Печи — устройства, предназначенные для получения продукта или полу-
продукта с необходимыми физико-химическими свойствами путем обработки
исходных материалов при высоких температурах.
В биотехнологиях печи используются не только для проведения химических
процессов при высоких температурах, например в производстве дикетена, но
и для обжига ампул, обжига эмалевых покрытий, для регенерации керами-
ческих фильтров, для некоторых сушильных процессов, например для сушки
мицелиальных отходов с целью их утилизации.
Классификация печей
По способу энергоснабжения (по виду источника теплоты) печи подразде-
ляются на топливные и электрические (сопротивления, дуговые, индукцион-
ные, контактные, инфракрасные, ультравысокочастотные и др.).
Печи подразделяются на непрерывно и периодически действующие. В пе-
риодически действующих печах подлежащие высокотемпературной обработке
объекты загружаются в холодную печь, нагреваются до заданной температуры
и обрабатываются необходимое время, после чего охлаждаются и выгружаются.
В непрерывно действующих печах предусматриваются непрерывные загрузка,
обработка и выгрузка.
По температурному уровню печи бывают низкотемпературные — с тем-
пературой газов в рабочем пространстве до 1000 °C, высокотемпературные —
свыше 1000 °C.
222 -Ф- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава5
Рис. 5-1. Печная установка.
По организации теплообмена (по способу подвода тепла к материалу) раз-
личают печи непосредственного нагрева (пламенные, контактные) и косвенно-
го нагрева. В печах непосредственного нагрева происходит непосредственный
контакт горячих продуктов сгорания и самого факела с обрабатываемыми
объектами. В печах косвенного нагрева теплопередача целиком или частично
осуществляется через стенку во избежание загрязнений объектов, химических
взаимодействий с продуктами горения топлива (например в муфельных печах).
При использовании печных установок возможно проводить процессы при
температурах до 2000 °C практически при атмосферном давлении. С другой сто-
роны, имеет место трудность регулирования температуры и большие перепады
температур, как между топочными газами и обрабатываемыми объектами, так
и в объеме печной камеры, низкий коэффициент теплоотдачи от топочных
газов к объектам, быстрое охлаждение топочных газов из-за их низкой тепло-
емкости.
Устройство промышленной печи
Печи являются сложными установками по конструкции и по осуществле-
нию процессов получения теплоты и ее использования для проведения техно-
логического процесса в заданном режиме. Существует множество конструкций
печей: трубчатые, с вращающимся барабаном, с псевдоожиженным (кипящим)
слоем, шахтные, камерные, подовые, туннельные, ванные и др. Однако лю-
бая схема печной установки включает элементы, изображенные на рис.5-1:
ТК — топочная камера для сжигания топлива или агрегаты для превращения
электрической энергии в тепловую; П — рабочее пространство печи для вы-
полнения целевого технологического процесса; ОБ — объекты или материалы,
подвергаемые термической обработке; ТР — теплообменные устройства для
рекуперации теплоты дымовых газов, например для подогрева воздуха; УТ -
утилизационные установки (например, котел для получения горячей воды или
водяного пара) для использования теплоты уходящих газов; ЗЛ — очиститель-
ные устройства (золоуловители, фильтры и т. п.); ДМ — дымосос для удаления
продуктов сгорания топлива и газообразных продуктов термической обработки
Промышленные способы получения теплоты "Ф- 223
объектов; Д — дымовая труба; Н — насос утилизационной установки; В —
вентилятор для подачи воздуха к горелкам и в рабочее пространство печи.
1 - 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
I шлака; 10 — газы, выбрасываемые в атмосферу. На рисунке не изображены
приборы для управления гидравлическим режимом печи (шиберы, задвижки
ипрочее); механизмы для загрузки, выгрузки и перемещения материала в печи;
контрольно-измерительная и регулирующая аппаратура.
Процессы в печах
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 внешний — 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 теплопотребляющей установки, при-
равнивает статьи прихода теплоты ^ZQnpux к статьям расхода теплоты l^Qpacx-
' Фприх = ' Qpacx-
Статьи прихода включают в себя теплоту: Qi — сгорания топлива; — вно-
симую в печь с топливом; Q3 — вносимую в печь с воздухом; Qi — вносимую
впечь с исходным сырьем; Q3 — теплоту экзотермических реакций.
Статьи расхода включают в себя теплоту: Q3 — эндотермических реакций;
0- - выносимую из печи с готовым продуктом; Q% — выносимую из печи
224 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4- Глаи5
с отходящими газами; Qg — выносимую из печи с водяными парами; Qio —вы-
носимую из печи с мелкими частицами продукта, увлекаемыми газами; Qu -
выносимую со шлаками; Qi-j — потери теплоты от химической неполноты
сгорания топлива; Qi3 — потери теплоты от механической неполноты сгорания
топлива; Qi4 — потери теплоты в окружающую среду от наружного охлаждения,
которые могут составлять от 10 до 25% от 22 <9прих-
Эффективность работы печи оценивается термическим КПД:
_ У? Qполезное _ <9? ~ <?4 + <9б
52 ^п₽их <91 + СЬ + <2з + <9б
Термический КПД промышленных печей обычно не превышает (2О...25)%,
а доля потребляемого ими топлива достигает (10...12)%. Естественно, что для
увеличения КПД необходимо уменьшить Qs, Qg, Qi0, Qu, Q12, Q13, Qu или
же утилизировать эти теплоты. Способы утилизации Qs и Qg 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 >*становки
малой (до 20т/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 МПа),
среднего (3...7,5 МПа), высокого (10...15 МПа), сверхвысокого (15... 22,5 МПа)
и сверхкритического (более 22,5 МПа) давлений.
Котлоагрегаты малой производительности используются в отопительных
котельных; средней производительности — в промышленных 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 ТК — топочная камера; ЭТ — экранные трубы, плотно
расположенные 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 Ф 225
Рис. 5-2. Котельный агрегат.
экономайзер; ГВ — воздухоподогреватель; Д — дымовая труба; ДМ — дымо-
сос; ЗЛ — золоулавитель; Н — насос; В — вентилятор; КЛ — коллекторы;
ГР - горелки. В топочную камеру подается топливо 1 и окислитель 2 (ча-
ще всего воздух).Температура газов 3 в топочной камере обычно составляет
(1600...1800) °C.
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
в барабан Б, здесь пар 6 отделяется от воды, вода 5 стекает вниз в коллектор по
необогреваемым, но хорошо теплоизолированным опускным трубам ОТ. Таким
образом, происходит естественная циркуляция, при которой скорость воды
составляет (0,5... 1,5) м/с. Опускные и экранные трубы соединены коллекто-
ром КЛ, представляющим собой трубу большого диаметра, расположенную
перпендикулярно к соединяемым ею трубам. Экранные кипятильные трубы
имеют внутренний диаметр (40... 60) мм, а расстояние между ними составляет
(4...6)мм, они образуют экранную поверхность нагрева, которая получает
тепло за счет излучения от факела горящего топлива.
В пароперегревателе ПП насыщенный пар 6 перегревается до заданной
температуры, которая может достигать (400... 600) °C. Перегрев пара осуще-
ствляется дымовыми газами, которые здесь охлаждаются от (900... 1200) °C до
(400...500) °C. Скорость пара в трубах ПП составляет (20... 25) м/с, диаметр труб
6-4о.э
226 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава5
(22... 54) мм. Пар 7 подается потребителю. Повышение температуры пара ведет
к повышению экономичности установки в целом.
В экономайзере ЭМ питательная вода 8 подогревается до 220 °C (во всех
конструкциях), а дымовые газы охлаждаются до (300... 400) °C. Вода движется
снизу вверх для удаления газовых и паровых пузырей. Расход питательной
воды равен паропроизводительности установки. Диаметр 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)°C. Дымовые газы проходят
со скоростью (9... 13) м/с по трубам воздухоподогревателя и охлаждаются до
температуры (ПО... 160) °C (что выше точки росы), диаметр труб (30...40)мм.
Скорость воздуха в межтрубном пространстве ГВ (6... 9) м/с. (Котлоагрегата
малой мощности не имеют воздухоподогревателя).
Газы 9 уносят до 80.. .90% золы при сжигании твердого топлива, поэтому
перед выбросом дымовых газов в атмосферу устанавливаются золоуловители
ЗЛ, которые включают циклоны, батарейные циклоны, центробежные скруббе-
ры, электрофильтры и др. Содержание вредных примесей в воздухе не должно
превышать предельно допустимых концентраций (ПДК). Наличие ЗЛ является
активным методом снижения количества вредных выбросов. Пассивным мето-
дом является установка дымососа ДМ и дымовой трубы Д высотой (25.. .300)м,
что позволяет рассеять вредные вещества над большой территорией, уменьшив
их концентрацию ниже предельно допустимой.
Для предотвращения образования накипи внутри кипятильных труб в ко-
тельный агрегат подается вода, очищенная от механических примесей и на-
кипеобразующих солей, а также от газов. Подготовка воды осуществляется
в специальном цехе. Для снижения затрат на водоподготовку необходимо
возвращать конденсат после использования теплоты пара, и только потери
конденсата восполнять свежей химически очищенной водой.
Несмотря на подготовку воды, в ней остается некоторое1 количество при-
месей, поэтому внутри барабана устанавливаются различные устройства для
механической сепарации капелек влаги с целью предотвращения отложения
солей в трубах пароперегревателя.
Для того, чтобы в циркулирующей по трубам воде не повышалась концен-
трация солей (по мере удаления пара) эту воду частично (на 0,5... 5%) заменяли
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, превращающейся в пар при одно-
кратном прохождении через циркуляционный контур составляет от 3 до 20%.
Отношение расхода циркулирующей воды тв к количеству образовавшегося
Промышленные способы получения теплоты v’ 227
Рис. 5-3. Прямоточный котельный агрегат.
в единицу времени пара тп называется кратностью циркуляции'.
Я = ^.
тп
Для котлов с естественной циркуляцией Q = 10... 60 и выше. Котлоагрега-
та с естественной циркуляцией вырабатывают перегретый пар давлением до
19МПа.
При принудительной циркуляции с помощью специального насоса О =
= 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
прир < 16 МПа. (рк = 22,115 МПа tK — 374,12 °C, см. раздел 1.2). Пар закрити-
ческих параметров получают в прямоточных котельных установках, где дав-
ление получаемого пара составляет 25,5 МПа. Схема прямоточного котельного
агрегата представлена на рис. 5-3. Вода 1, подаваемая насосом Н, нагревается
в экономайзере ЭМ и через коллектор КЛ поступает в экранные трубы ЭТ,
опоясывающие топочную камеру ТК по кругу. Влажный пар 2 подается в змее-
виковые трубы переходной зоны ПЗ, затем в верхнюю часть топочной камеры
и в пароперегреватель ПП. 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 ❖ Главаз
высокого давления увеличиваются поверхности водяного экономайзера ЭМ
и пароперегревателя ПП, одновременно снижается испарительная поверхность
нагрева ЭТ.
Промышленность 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 м3 газообразного топлива:
Q — Qi + Q2 + Яз + Qi + Qs + Qe,
где q — располагаемая теплота от сжигания топлива; — полезно исполь-
зованная теплота; q2 — потери теплоты с уходящими газами; q3 — потери
от химической неполноты сгорания топлива; <у4 — потери от механического
недожога; q$ — потери теплоты в окружающую среду; qe — потери теплоты
с физическим теплом шлаков.
Располагаемая теплота для твердого и жидкого топлива:
Q — Он + QB3 + <7тп + Qpn — 9кб!
для газообразного топлива:
Q — Он + 9вз + <7тп + Орп>
где <?н — низшая теплота сгорания рабочей массы твердого или жидкого топ-
лива; Qh — низшая теплота сгорания сухой массы газообразного топлива; -
теплота вносимая с воздухом; <утп — физическая теплота топлива; дрп — теплота,
вносимая с паром для распыления топлива; дкб — теплота, затраченная на
разложение карбонатов при сжигании сланцев.
Полезноиспользуемая теплота <?i — это теплота, потребляемая на производ-
ство пара, и теплота, отводимая с продувочной водой:
1
91 = В
ТОПП (Л]
;пп hBIt) + юо hBn) 4- mn(hn — /iBn) |,
где В — расход топлива, кг/с; шпп и тп — расходы перегретого и насыщенного
(если он отпускается из барабана) пара, кг/с; hnn и h„, hBn и hBK — энтальпии
перегретого и насыщенного пара, воды питательной и котловой, кДж/кг; д -
величина непрерывной продувки, в % от тпп и тп.
Коэффициент полезного действия котлоагрегата:
"'V
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
5.3.3. Котлы-утилизаторы
Для использования теплоты отходящих газов технологических установок,
шоты технологической продукции, шлаковых отходов и пр. применяются
пилы-утилизаторы (КУ). Работа котлов-утилизаторов и их отключение прак-
мески не оказывает влияния на основной технологический процесс. Обычно
КУ вырабатывают пар. Их конструкция определяется особенностью используе-
инх тепловых отходов. Если используются газы с температурой больше 1000 °C,
котел снабжают экранными трубами, которые имеют такую же компоновку,
шив обычном паровом котле. Может отсутствовать воздухоподогреватель,
ми 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 отходящий 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 °C в КУ используются только конвектив-
ные поверхности нагрева, которые выполняются целиком из змеевиков. Схема
230 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Глава.,
такого КУ изображена на рис. 5-4. Насосом Н1 питательная вода 1 подаете
в экономайзер ЭМ, а после него в барабан Б. По опускным трубам ОТ с помо-
щью насоса Н2 вода проходит в экранные трубы ЭТ, где она закипает. Влажный
пар увеличивает свою степень сухости в переходной зоне ПЗ и поступает
в барабан Б, где насыщенный пар 3 отделяется от жидкости. Пройдя через
пароперегреватель ПП, перегретый пар 4 уходит к потребителю. 5 — поток
горячих газов от технологических установок, подаваемый в топочную камеру
ТК; 6 — поток остывших газов.
Промышленностью выпускаются унифицированные 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 высококипящих (высокотемпературных) органических теплоно-
сителей (ВОТ), например, моноизопропилдифенила, дифенильной смеси. Для
получения их в парообразном состоянии необходимо специальное оборудова-
ние, так как теплоты их парообразования примерно в 9 раз меньше, чем у воды.
Топливные парогенераторы ВОТ имеют тепловую мощность от 0,2 до
8,7 МВт, температура получаемых паров от 260 до 380 °C, давление от 0,1 до
0,8 МПа.
Топливные парогенераторы представляют собой вертикальнотрубные ради-
ационные котлы коробчатого типа с естественной циркуляцией теплоносителя;
состоят из верхнего и нижнего 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.
I
5.3.5. Парогенераторы ВОТ с электрообогревом
Парогенераторы ВОТ с электрообогревом выпускаются мощностью от 54
до 300 кВт. Схема парогенератора с электрообогревом изображена на рис. 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
6м3). Рабочее давление составляет (0,3... 0,4) МПа, температура 330.. .350 °C.
Промышленные способы получения теплоты ❖ 231
Рис. 5-5. Парогенератор ВОТ с электрообогревом.
5.3.6. Водогрейные агрегаты
Водогрейные агрегаты обычно используются для нагрева воды не более чем
ю 100 °C, хотя перегретая вода может иметь более высокую температуру, если
ее давление будет превышать атмосферное. При давлении 1МПа температура
насыщения воды 179,88 °C (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 воды используется также конденсат
водяного пара.
Водогрейные котлы чаще всего используются в целях получения горячей
воды для отопления. Они могут работать на любом топливе. Воду для теп-
ловой сети в котлах подогревают от (70... 104) до (180... 200) °C. Во избе-
жание конденсации водяных паров из уходящих дымовых газов и связанной
с этим наружной коррозии поверхностей нагрева, температура воды на входе
в агрегат должна быть выше точки росы для продуктов сгорания: выше 60 °C
при работе на природном газе; выше 70 °C при работе на малосернистом
мазуте; выше ПО °C 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 компонов-
ку. Горение топлива происходит в топочной камере, экранированной трубами.
Конвективную поверхность нагрева делают из U-образных труб.
Водоподогреватели (бойлеры) по конструктивному исполнению подразделя-
ется на скоростные и емкостные, по характеру теплоносителя — на водоводя-
ше, где греющей средой является вода, и пароводяные, где греющей средой
является пар.
Скоростные секционные водоподогреватели, в зависимости от требуемого
количества горячей воды и степени ее нагрева собираются из отдельных секций
232 < ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава5
с последовательным и параллельно-последовательным соединением. Каждая
секция по существу является горизонтальным кожухотрубным теплообменни-
ком. Секции соединяются крутоизогнутыми калачами, диаметр которых равен
диаметру кожуха. В настоящее время все шире применяются пластинчатые
водоподогреватели.
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 тепло-
использующего оборудования при смешении водяного пара и холодной воды
(см. пример 2.8).
5.3.7. Топливные теплогенераторы ВОТ
Жидкие высокотемпературные органические теплоносители, которыми
служат глицерин, дифенил, дитолилметан, моноизопропилдифенил, дифениль-
ная смесь и др. применяются при атмосферном давлении при температурах
от 150 до 350 °C. 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
5 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 анологии 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 1 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 или 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-, двух-
и трехсекционными агрегатами, которые собираются из последовательно
включенных секций; мощность каждой секции может составлять 48, 64,
126, 168 кВт. Таким образом, теплогенераторы, укомплектованные секциями
одинаковой мощности, отличаются друг от друга только высотой. Суммарная
мощность может достигать 504 кВт (3 секции по 168 кВт). Максимальное
рабочее давление 1МПа. Максимальная температура 350°C. 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 1, 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 штуцер.
234 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА < ГлаваЗ
Рис. 5-7. Теплогенератор ВОТ с электрообогревом.
5.3.9. Эксергетический анализ топливоиспользующих
установок
Эксергетический анализ топливоиспользующих 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 Етп и окислитель с эксергией Еок. Их суммарная эксергия
Ei = Етп + Еок. Топливо и окислитель перед сжиганием могут подогреваться
в подогревателе Г за счет части эксергии Е5 продуктов сгорания. В результате
Е2 = Ei + Е5 - Dr, где Dr — потери эксергии в процессе теплообмена в подо-
гревателе Г. Далее при горении топлива эксергия Е2 превращается в эксергию
продуктов сгорания Е3. 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 4- 235
сергия продуктов сгорания определяется как сумма эксергий потоков веществ,
полученных при сгорании топлива [3]. Потери эксергии при горении топлива
составляют Drp. В результате Е3 = Е2 - Drp. Эксергия продуктов сгорания ис-
пользуется в топливной камере ТК либо парогенератора, либо теплогенератора,
ибо печи (либо в газовой турбине, что здесь не рассматривается). При этом
потери эксергии D,K 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 Z>TK. Суммарная эксергия остывших продуктов сгорания
I полученного продукта составляет Е4 = Е3 - DTK. Часть (Е5) эксергии Е4
может использоваться, в подогревателе Г (или в других теплоиспользующих
установках), часть (Ев = Z>oc) выбрасывается в окружающую среду вместе
с продуктами сгорания, часть Е- в виде полученного продукта поступает на
шьнейшее использование.
Эксергетический КПД процесса горения:
Е3
»?егр — ТГ,
-С/2
его величина изменяется от 0,45 для промышленных котельных и печей до 0,7
ж современных парогенераторов. Потери 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______
Етп 4- Еок + Евх'
где Евх — 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 °C составляет (20... 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
температурой 370°C. Вода поступает с температурой 30°C. Высшая теплота
сгорания каменного угля 21,4 МДж/кг, температура горения 1100 °C. Расход топ-
ж S44 кг/ч, тепловой КПД парогенератора 91%. Рассчитать потери эксергии
парогенераторе, в том числе за счет потерь теплоты в окружающую среду и за
счет термодинамического несовершенства процесса, а также эксергетический
ШД Параметры окружающей среды toc = 10 °C, рос — 100 кПа.
Решение. Параметры пара при давлении Рп — 2 МПа и температуре tn =
= 70°С: энтальпия hn = 3181,8кДж/кг, энтропия зп = 7,028кДж/(кг-К). Па-
236 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава!
раметры воды при рв = рп = 2 МПа и tB = 30 °C: hB = 127,5 кДж/кг; sB =
= 0,436кДж/(кг-К). Параметры воды при рж = ЮОкПа и toe = 10 °C: =
= 42,1 кДж/кг, «ос = 0,151 кДж/(кг-К) (см. прил. 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, тв = тп, рассчитывается по формуле (2.13):
Ев = 6500 • 4,745 = 30842 кДж/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 МДж/кг.
Общая эксергия топлива по формуле (2.13):
Ет = 844 • 23,1 = 19496,4 МДж/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 тп = тв рассчитывается по
формуле (2.13):
Еп = 6500 • 1193,5 = 7,76 • 106 кДж/ч = 2155,0 кВт.
Общий эксергетический КПД парогенератора
7)е = Б11 100,
Ев + ЕТП
100 = 4°%-
Проанализируем промежуточные этапы преобразования эксергии топлива
в эксергию получаемого пара.
Удельная эксергия теплоты, полученной при сгорании топлива при темпе-
ратуре Гф = (273 + 1100) К рассчитывается по формулам (2.29 и 2.28):
е9 = 21400 (1 - +10) = 16989,1 кДж/кг.
у Z ( о -г 11UU J
Общая эксергия теплоты при расходе топлива ттп
Eq = mrneq = 844 • 16989,1 = 14,34 • 106 кДж/ч = 3983,0 кВт,
что составляет
3983,0
8,6 + 5415,7
• 100 = 73,4%.
Промышленные способы получения теплоты Ф 237
Ар, 26,4%
2Лжр, 6,6%
Рис. 5-9. Диаграмма потоков эксергии (к примеру 5.2).
Потери эксергии из-за потерь теплоты в окружающую среду
^окр — (1 ~ 77)^5
где у - тепловой КПД парогенератора,
Ажр = (1 - 0,91) • 3983,0 = 358,5 кВт,
что составляет Л Л
Потери эксергии при переходе эксергии топлива в эксергию теплоты
2?гр = Ет ~ Eq,
Drp - 3415,7 - 3983,0 = 1432,7 кВт,
что составляет ,_
Потери эксергии при передаче полученной теплоты при 1100 °C (за вычетом эк-
сергии теплоты, потерянной в окружающую среду) к образующемуся водяному
пару при 370 °C, т.е. из-за разницы температур, и с уходящими в окружающую
среду продуктами сгорания топлива:
Лпг = Eq — Локр ~ Еп,
Dtnr = 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 (у = 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 (1100 °C)
238 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава}
и образующегося пара (370 °C) 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. Оценка установки только по
энергетическим показателям не позволяет правильно обосновать направления
развития техники в этой области, которые должны идти по пути уменьшения
потерь эксергии при высвобождении ее из топлива и при передаче к пару.
5.4. ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ
ПРЕДПРИЯТИЙ
Большинство предприятий биотехнологического профиля снабжаются 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 отработавшего в турбинах пара. Это приводит к значительному умень-
шению тепловых выбросов в системе энергоснабжения и снижению расхода
топлива на (25...30)% по сравнению с раздельной выработкой электрической
энергии на конденсационной паротурбинной электростанции (КЭС) и теплоты
в районных котельных (РК). Теплоснабжение потребителей осуществляется
от ТЭЦ централизованным путем. Вместе с тем высоки капиталовложения
в строительство ТЭЦ и магистральных тепловых сетей, сроки строительства
достигают 5...6лет. К тому же магистральные теплосети часто выходят из
строя, в них теряется около 20%, а в электрических сетях 17% от потребляемых
энергоносителей. Традиционные централизованные системы теплоснабжения
постепенно уступают место новым, децентрализованным системам, но с ком-
бинированным производством теплоты и электроэнергии.
Непосредственно теплота сжигаемого топлива используется в печных уста-
новках.
5.4.1. Системы теплоснабжения
Системы теплоснабжения классифицируются: по мощности, по виду ис-
точника теплоты, по виду теплоносителя.
По мощности системы теплоснабжения делятся на децентрализованные
(местные) и централизованные.
Использование промышленных печей и местных котельных является при-
мером децентрализованного теплоснабжения (ДЦТ). При ДЦТ теплота не транс-
Промышленные способы получения теплоты "v- 239
портируется на дальние расстояния. Достоинство ДЦТ состоит в возможности
нагрева продукта до любых высоких температур и в отсутствии зависимости
от теплоэлектроцентралей. Недостатками ДЦТ являются высокие капитальные
затраты, низкий коэффициент использования теплоты топлива (20... 60%), за-
фязнение воздушной среды и большие эксплуатационные расходы.
Централизованное теплоснабжение (ЦТ) осуществляется от источника кол-
лективного пользования — от ТЭЦ 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; теп-
топриемники (аппараты) потребителя теплоты.
Котельные обычно строятся там, где ввод в действие ТЭЦ отстает от теп-
топотребления. 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-
евые. В жилищно-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 50.. .60 км); возможность центрального регулирования отпуска
теплоты потребителю; сохранение конденсата греющего пара (которым нагре-
валась вода) на ТЭЦ 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 °C, 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 из-
за коррозии; потери конденсата из-за утечек, загрязнений, сложность сбора
и возврата его на ТЭЦ или в РК.
Применение единого теплоносителя упрощает схему теплоснабжения, ведет
к уменьшению капитальных затрат и способствует качественной и дешевой
эксплуатации.
240 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Глава5
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 °C и выше с целью уменьшения
ее расхода. Однотрубная система целесообразна при дальнем теплоснабжении,
когда стоимость обратной магистрали и затраты электроэнергии на сетевые
насосы оказываются слишком большими, а стоимость расходуемого топлива
невелика. Двухтрубная система обеспечивает возврат на ТЭЦ обратной воды
от потребителей, чем уменьшаются не только затраты на топливо, но и на
водоподготовку в системе (так как в данном случае циркулирующая 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 являются одновременно и теплоносителями, и реагентами;
2) теплопотребление, как правило, является низкотемпературным (до
130... 150 °C);
3) главный параметр теплоносителей — это их температура, необходимая
для оптимального ведения технологического процесса и создания микрокли-
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 °C
до 70 °C; температура поверхности отопительных радиаторов жилых и обще-
ственных зданий не должна превышать 80 °C, для промышленных предприятий
100 °C;
Промышленные способы получения теплоты -v- 241
2) тепловые технологические аппараты и устройства (реакторы, подогрева-
тели, выпарные, ректификационные, сушильные и др. установки). Для этого
используется водяной пар давлением 0,3...0,8МПа (t < 180°C) и вода (t <
< 150 °C). В биотехнологиях в основном используется водяной пар давлением
0,3МПа, имеющий температуру насыщения 132,9 °C;
3) силовые технологические агрегаты (молоты, прессы, паровые насосы,
турбокомпрессоры). Это направление не характерно для биотехнологий.
Сезонным потребителем является отопление. Остальные потребители —
круглогодичные. Однако в летний период снижается потребление теплоты
предприятиями за счет уменьшения теплопотерь, снижения расхода теплоты
на нагрев сырья, исходных материалов, воздуха сушильных установок и др.
С другой стороны возникают 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,
2„р, и количеством выпускаемой продукции, П, выражается следующим урав-
нением:
Qnp = Q + ?П,
где Q — расход теплоты, не зависящий от количества выпускаемой продукции;
, - удельный расход теплоты на единицу продукции.
Пример суточного графика потребления теплоты предприятием при двух-
сменной работе изображен на рис. 5-10а. На рис. 5-106 дана схема потребления
теплоты в течение недели; аналогично может быть представлено теплопотреб-
ление за месяц; на рис. 5-10» — годовой график теплопотребления. Площадь
242 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА < Главаэ
а
б
в
Рис. 5-10. Графики потребления теплоты: а - суточный, б - недельный, в - годовой.
Промышленные способы получения теплоты 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», гтах, равное отношению общего-
дового количества потребленной тепловой нагрузки, <2год, к максимальному
потребленному за один час, Qmax
_ _ *2год
•max —
Утах
В биотехнологиях при работе технологических установок в среднем 8000 часов
I 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
такой установки приведено
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 снижения давления пара применяются редукционно-охладительные
установки (РОУ). Условное обозначение
варис. 5-11: 1 — пар высоких параметров; КР —
клапан редукционный для снижения 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
пар 4 требуемых параметров, который подает-
ся потребителю. Расчет РОУ и эксергетический
анализ процессов, происходящих в нем, дан в гл. 2 (пример 2.9).
Рис. 5-11. Редукционно-охлади-
тельная установка.
Для понижения температуры воды применяются элеваторы, представляю-
щие собой водоструйные насосы, в которых вода с высокими параметрами
подсасывает более холодную воду (обычно обратную после теплоиспользова-
ния), на выходе из элеватора вода имеет требуемые параметры.
244 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Глава5
В системах оборотного водоснабжения вода охлаждается атмосферным воз-
духом на градирнях — полых башнях с насадкой, в которых вода стекает сверху
вниз, а воздух движется снизу вверх.
5.4.5. Центральные тепловые пункты
Промышленное предприятие с большим количеством различных местных
систем (цехов), разбросанных по территории предприятия, имеет обычно один
ввод — центральный тепловой пункт (ЦТП). ЦТП сооружается для учета тепло-
ты, поступающей от ТЭЦ или РК, контроля параметров теплоносителей и ор-
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 помещении 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 теплоты 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 редукционно-
охладительное устройство (на рис. 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 7 и из коллектора 3 по дренажным трубопроводам 12, из водопо-
догревателя 5 и из местных систем теплопотребления по трубопроводам 9 через
конденсатоотводчики поступает в конденсатосборник 10, откуда откачивается
насосом 13 по конденсатопроводу 15 на ТЭЦ 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 конденсатопроводе. Закрытые
сборники для конденсата предпочтительнее открытых, так как в них уменьша-
ется опасность насыщения конденсата воздухом, а следовательно, и опасность
I 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 опорожнения как внутренних, так и внешних конденсатопроводов.
• Необходимо предусматривать контроль качества конденсата и автоматическое
1 отключение конденсатных насосов при превышении допустимой нормы за-
1 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-
I тируются приборы для измерения давления и температуры, а также обязательно
] обратные клапаны после насосов.
> 5.4.6. Местные тепловые пункты
Местные тепловые пункты (МТП) располагаются в отдельных помещениях
цехов 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 > ГлаваЬ
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 опорожнения системы; приборы для измерения температуры и давления;
расходомеры. Температура сбрасываемых в канализацию стоков должна быть
меньше 40 °C.
5.4.7. Требования к теплоиспользующим установкам
Теплоиспользующие 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
понижения давления и температуры теплоносителя. К установке должна при-
лагаться соответствующая документация: паспорт, чертежи, исполнительные
схемы аппаратов и трубопроводов; инструкции по эксплуатации и ремонту;
положения о правах и обязанностях персонала.
ВТОРИЧНЫЕ
ЭНЕРГОРЕСУРСЫ
Многие производства, использующие биотехнологии,
относятся к энергоемким, в которых доля энергозатрат
в себестоимости продукции составляет более 30%. На-
пример, для производства 1 тонны чугуна необходимо
израсходовать 0,25 ГДж теплоты, 1 тонны серной кисло-
ты — 0,54 ГДж, для аммиака — 5,5ГДж/т; димедрола —
121,5 ГДж/т; метилурацила — 210ГДж/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) °C, дросселируется через конденсатоотводчик
с понижением температуры до 100 °C и чаще всего слива-
ется в канализацию. Завод платит не только за полученный
греющий пар, но и за невозвращенный 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 40 °C, то к горячему конденсату добавляют хо-
лодную воду, платя и за ее расход.
Примерно половину массы греющего 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 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Главаб
хотя разность температур нагретого и свежего холодного воздуха в зимний
период для средней полосы России составляет более 30 К.
Вторая половина массы греющего пара используется для обогрева химиче-
ских реакторов, перегонных кубов, выпарных аппаратов, сушильных устано-
вок и т.п. В них образуются вторичные пары, обычно имеющие температу-
ру 100°C; эти пары либо выбрасываются в атмосферу, либо конденсируются
в теплообменниках с помощью холодной оборотной воды. Нагретая оборотная
вода охлаждается на градирне, обогревая окружающую среду. Оборотная вода,
циркулирующая 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 конвективных сушильных уста-
новок.
Использование искусственного холода для отвода теплоты экзотермических
реакций и проведения процессов кристаллизации начинается с температур
значительно больших, чем +25 °C, приводя к чрезмерным расходам хладо-
носителей и дополнительным затратам энергии, потребляемой холодильными
установками.
В результате всего вышеперечисленного тепловые выбросы в окружающую
среду составляют 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 абсолютного уровня потребления
энергии, но даже при его снижении.
Экономия энергетических ресурсов может осуществляться по следующим
направлениям:
• энергетическое совершенствование технологий, процессов и оборудова-
ния;
• улучшение энергоснабжения предприятия;
• совершенствование 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 снижения себестоимости продук-
ции.
6.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Под вторичными энергоресурсами (ВЭР) понимается энергетический потен-
циал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующих-
Вторичные энергоресурсы Ф- 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 сушилок, вентиляционных выбросов и пр.; их потенциал харак-
теризуется энтальпией;
• избыточного давления: это энергия потоков газов и жидкостей, потенциал
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-
зацйонных 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
в смеси с органическим топливом (когда ВЭР сильно забалластированы).
Получающиеся в них газообразные продукты сгорания высокой температуры
в дальнейшем 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 4- Главаб
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, обеспечивающее прямую экономию 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,
образующиеся тепловые потоки используются непрерывно, повышается КПД
установки (хотя строго говоря, рекуперация теплоты в самой установке не
относится к использованию ВЭР). Использование образующихся тепловых
потоков для теплоснабжения 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 коэффициентом ис-
пользования топливно-энергетических ресурсов и, следовательно, с ми-
нимальным выходом ВЭР;
• обеспечение всех агрегатов — источников ВЭР утилизационным оборудо-
ванием;
• разработка технических решений использования всех видов ВЭР;
• освоение новых конструкций утилизационного оборудования;
• освоение производства экономайзеров и отопительно-вентиляционного
оборудования, использующего низкопотенциальные ВЭР для отопления,
вентиляции, кондиционирования;
• расширение выпуска абсорбционных холодильных установок, работаю-
щих на ВЭР;
• использование установок для термического обезвоживания технологиче-
ских отходов, в том числе стоков, и утилизация тепловой энергии;
• создание энергоблоков с фреоновыми турбинами, обеспечивающими ис-
пользование избытков утилизационного пара низких параметров для вы-
работки электрической энергии;
• использование теплонасосных установок для изменения потенциала теп-
лоты.
6.1.2. Параметры тепловых ВЭР
По своим параметрам тепловые ВЭР подразделяются на:
• высокопотенциальные, температура которых выше 400 °C;
• среднепотенциальные, с температурой от 250 до 400 °C;
• низкопотенциальные, с температурой до 300 °C.
В производствах, использующих биотехнологии, образуются в основном низ-
копотенциальные ВЭР. До недавнего времени считалось, что низкопотенци-
Вторичные энергоресурсы ❖ 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 окружающей среды, затрачивается дополнительная энергия и вода.
Утилизация низкопотенциальных ВЭР может на 50% сократить потребле-
ние теплоты от внешних источников. А средние удельные капитальные вло-
жения в энергосберегающие 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 °C. 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 КПД 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 совмещенных с воздушным отоплением;
• выработка холода в абсорбционных холодильных установках;
• повышение потенциала теплоты с помощью теплонасосных установок;
• использование совмещенных систем, в которых, например, выработка хо-
лода в абсорбционных холодильных установках с использованием сброс-
ной теплоты совмещена с созданием станций тепло-холодо-водоснабже-
ния на базе абсорбционных тепловых насосов, это позволяет обеспе-
чить предприятия теплом (с температурой +80 °C), холодом (+5...+7 °C)
и охлажденной технической водой (+20 °C). 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 4 Главаб
• многоступенчатые установки с аппаратами типа «тепловая труба» для ис-
пользования теплоты агрессивных жидкостей (например, кислот);
• контактные 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 вращающимися элементами (роторно-пленочные)
для использования теплоты загрязненных газов с целью концентрирова-
ния сточных вод;
• теплонасосные установки (пароструйные, абсорбционные и компрессор-
ные) для производства холода и теплоснабжения сушильных, выпарных,
перегонных и др. установок;
• рекуперационные агрегаты для использования теплоты паровоздушной
смеси в схеме рециркуляции;
• регенеративные вращающиеся теплообменники, пластинчатые рекупера-
торы, теплообменники с промежуточным теплоносителем, с тепловыми
трубами для использования теплоты вентиляционных выбросов.
6.2. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ВЭР
Энергетическую эффективность использования вторичных энергоресурсов
принято оценивать экономией топлива в той энергетической установке, ко-
торую замещает утилизационная установка при выработке одного и того же
количества теплоты. Предварительно рассчитывается удельный и общий выход
ВЭР.
Удельный выход тепловых ВЭР — выход ВЭР на единицу продукции, сырья
или топлива, кДж/кг или кДж/м3:
<7вэр = m(citi - с2/г) = mAh. (6.1)
Общий выход тепловых ВЭР — выход тепловых ВЭР за рассматриваемый период
(месяц, год и т.д.), кДж;
фвэр = topFI (6.2)
или
Овэр = ^вэр7"- (6.3)
В этих формулах т — удельное количество энергоносителя (твердого,
жидкого и газообразного) в килограммах или кубических метрах на едини-
цу продукции или в единицу времени работы установки — источника ВЭР
(определяется из материального баланса процесса); Д/г — перепад энтальпий,
кДж/кг или кДж/м3; ti и cj — температура и теплоемкость энергоносителя на
Вторичные энергоресурсы 253
выходе из источника ВЭР; t2 и с2 — температура и теплоемкость энергоно-
сителя при поступлении его на следующую стадию техологического процесса
или температура окружающей среды и соответствующая ей теплоемкость; П —
выпуск продукции или расход сырья, топлива за рассматриваемый период;
т — 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 = ФвэрО?7ут, (6-4)
где а — коэффициент, учитывающий несоответствие режима и числа часов
работы утилизационной установки и источника ВЭР (а = 0,7... 1); —
условный КПД теплоутилизационной установки.
Использование тепловых ВЭР
Qh = Q°, (6.5)
где а — коэффициент использования теплоты, обычно
<т = (0,5... 0,9).
Экономическая эффективность использования ВЭР — это экономия топлива
ДВ за счет использования ВЭР, в тоннах условного топлива, за рассматривае-
мый период (год, месяц, и т.д.)
При тепловом направлении использования ВЭР
Д-В = (6.6)
где Ьзм — удельный расход условного топлива на выработку теплоты в замеща-
емой котельной установке,
где 0,0342 = 1/29,33 — коэффициент эквивалентного перевода 1 МДж теплоты
в тонну условного топлива; ?/зм — КПД энергетической установки (промыш-
ленная котельная, котельная ТЭЦ), с показателями которой сопоставляется
эффективность использования ВЭР (г?зм = 0,84... 0,86).
Пример 6.1. Определить количество горячей воды, которое может быть получено
в котле-утилизаторе за счет использования теплоты отходящих печных газов
и экономию условного топлива. Условный КПД теплоутилизационной установки
= 0,89. Расход печных газов 16,3 • 103л/3/ч при температуре tj = 350 °C. Тем-
пература газов после утилизатора = 200 °C. Средняя объемная теплоемкость
газов с„ = 1,415 кДж/(м3 К). Вода нагревается от 10 до 70°С. КПД замещенного
водонагревателя -г)зм = 0,91.
Решение. При охлаждении газов от 350 до 200 °C их средняя температура
(200 +350)/2 = 275 °C.
254 > ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Главаб
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 • 103 • + = 14’3 • 103 М3/4’
’ 350 + 273 '
Количество используемой теплоты рассчитывается при совместном решении
уравнений (6.1), (6.3), (6.4) и (6.5):
QH = m- cv(ti - ^таттутст.
Принимается, что т — 1час, а = 1, <т = 0,9, тогда:
Q„ = 14,3 • 103 • 1,415(350 - 200) • 1 • 1 • 0,89 • 0,9 = 2,4 • 106 кДж/ч = 2,4 • 103 МДж/ч.
Расход горячей воды, получаемой в котле-утилизаторе:
Св(^В.К ^в.н)
где св — теплоемкость воды, св = 4,18кДж/(кг-К); tB K и tB.H — конечная и на-
чальная температура воды, °C
2,4- Ю6 _ .
4,18(70 - 10)= 9712 КГ/Ч
или, при плотности воды 1000кг/м3, объемный расход получаемой горячей
воды 9,7м3/ч.
Экономия условного топлива за счет использования вторичных энергоре-
сурсов рассчитывается по уравнениям (6.6) и (6.7)
Д£? = 2,4 • 103 • = 91 т/ч.
6.3. СХЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ
ТЕПЛОВЫХ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
На приведенных ниже схемах показаны установки для утилизации низко-
потенциальных тепловых ВЭР.
Представлены также схемы рекуперации и регенерации теплоты в вы-
парных, сушильных, ректификационных и вентиляционных установках, ft-
куперативными называются теплообменники, в которых горячая и холодная
среда протекают одновременно, и теплота передается через разделяющую их
стенку (поверхность теплопередачи). Рекуперативные теплообменники быва-
ют кожухотрубчатые, труба в трубе, спиральные, пластинчатые, змеевиковые,
оросительные и специальные. Регенеративными называются теплообменники,
в которых одна и та же поверхность через определенные промежутки времени
омывается то горячим, то холодным теплоносителем. Эта поверхность обычно
Вторичные энергоресурсы -ф- 255
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 помощью 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°C) 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 комплексной утилизации теплоты сбросных потоков при-
веден на рис. 6-1. (Значения температур приведены для реальной установки,
взятой из книги [48]). Поток воды 1 с температурой 53°C насосом Н по-
дается в испаритель И теплонасосной установки, где охлаждается до 35 °C,
256 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Главаб
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 °C. После подогрева поток 1 направляется
в конденсатор К теплового насоса, в котором догревается до 79 °C. Далее
этот поток 7 последовательно нагревается в теплообменниках Т2 и ТЗ за
счет конденсата 3—3 технологического пара и сбросных паровых потоков 4-
4. Нагретый до 105°C поток воды 1 направляется в технологический про-
цесс (аппараты А5.. .А1), и цикл замыкается. Примененный в данном случае
тепловой насос — низкотемпературный, так как сбросный поток 1 первона-
чально понижает свою температуру. Рабочим агентом 5 цикла ТНУ является
фреон-12, коэффициент преобразования ТНУ 3,8. Срок окупаемости установки
1,2 года.
Альтернативной по отношению 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 °C, который охлаждается в испарителе И до 45°C.
В конденсатор К насосом Н подается поток воды 7 с температурой 53 °C и на-
гревается до 85 °C. (Схема названа высокотемпературной, так как поток 7 сразу
нагревается. Весь цикл ТНУ работает на более высоком температурном уровне
по сравнению со схемой рис. 6-1.) Далее поток 7 последовательно проходит
через два теплообменника Т1 и Т2, в которых нагревается конденсатом 3-3
и сбросными паровыми потоками 4—4 до температуры 105 °C, направляется
в технологический процесс (аппараты А5.. .А1), и цикл замыкается. В такой
схеме рабочим агентом 5 цикла ТНУ является фреон-114, коэффициент пре-
образования ТНУ 4,2. Срок окупаемости установки 1,5 года.
Вторичные энергоресурсы 257
Рис. 6-3. Утилизация теплоты низкотемпе-
ратурных продуктов сгорания в контактном
теплообменнике, орошаемом водой.
Рис. 6-4. Утилизация теплоты низкотемпе-
ратурных продуктов сгорания в контактном
теплообменнике с активной насадкой.
6.3.1. Утилизация теплоты низкотемпературных продуктов
сгорания
Температура уходящих газов из котельных установок, промышленных пе-
чей составляет 200... 300 °C. Снижать температуру уходящих газов ниже 120 °C
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
теплообменнике, орошаемом водой, что увеличивает коэффициент использова-
ния теплоты топлива на 7... 10%.
Низкотемпературные продукты сгорания 1 поступают в аппарат А (рис. 6-3)
и разделяются на два потока, регулируемых по количеству с помощью заслонок
31 и 32. Поток 2 при необходимости сразу направляется на выход из аппарата.
Поток 3 проходит через слой насадки НС (обычно из колец Рашита), ороша-
емый водой. Вода 4 подается насосом Н через фильтр Ф и разбрызгивается
форсункой. Стекая по насадке НС, вода контактирует с горячим потоком
газа, где он отдает воде теплоту охлаждения и теплоту конденсации влаги,
находящейся в нем. Нагретая вода 6 удаляется из аппарата. Остывший газ
9-4675
258 «Ф- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА -Ф Главаб
Рис. 6-5. Утилизация теплоты сжатия в компрессорных установках.
проходит через сепаратор С, состоящий из слоя 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 насадка
(рис. 6-4). В этих аппаратах дымовые газы 1 смешиваются с водой, разбрызгива-
емой форсунками РЖ, и нагревают слой активной насадки НС. Нагрев 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, содержащиеся в газах. Загрязнен-
ная вода частично отводится снизу аппарата (поток 4), частично возвращается
на орошение насадки, (поток 3, к которому добавляется поток чистой воды 2).
Н — циркуляционный насос системы орошения. Нагретая насадка НС отдает
теплоту чистой воде 6, протекающей по трубам, расположенным в слое насад-
ки. Нагретая чистая вода 7 подается потребителю. Охлажденные и очищенные
дымовые газы для улавливания брызг проходят через сепаратор С, состоящий
из слоя керамических колец, и удаляются из аппарата (поток 5).
Дымовые газы могут быть источником низкопотенциальной теплоты (ос на
рис. 4-16) в теплонасосных установках, работающих по замкнутому циклу (раз-
дел 4.10.1).
6.3.2. Утилизация теплоты сжатия в компрессорных
установках
В производствах, использующих биотехнологии, на долю компрессоров
приходится более 25% потребляемой энергии.
При наличии охладителей воздуха от компрессорной установки отводится
тепловой поток, примерно равный по величине мощности привода. Сред-
ний температурный потенциал этого потока теплоты составляет (140... 160) °C.
Около 90% этой теплоты может быть полезно использовано.
Атмосферный воздух 1, рис. 6-5, последовательно проходит через ступени
КМ1, КМ2, КМЗ многоступенчатого компрессора. При сжатии воздуха в каж-
Вторичные энергоресурсы 259
дой ступени в 2,5...3,5 раза его температура повышается до (140... 160)°C.
Охлаждение газа осуществляется водой 2, последовательно проходящей через
промежуточные холодильники XI, Х2, ХЗ. Концевой холодильник Х4 охлажда-
ется свежей водой 3. Вода после холодильников ХЗ и Х4 имеет температуру
70... 75 °C. Воздух после концевого холодильника должен иметь температуру
не выше 40 °C.
Температура воды 70... 75 °C 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)МПа,
необходимо утилизировать конденсат греюще-
го пара, который остается при температуре
(130... 180) ° С. Эксергия теплоты конденсата
составляет (11... 16)% от эксергии пара.
В схеме, рис. 6-6, греющий пар 1 отдает теп-
лоту конденсации на нагрев жидкости 4 в по-
догревателе Г. Конденсат пара 2 после конден-
сатоотводчика КО поступает в теплообменник
Т, где конденсат охлаждается, нагревая поток 5.
Остывший конденсат 3 собирается в сборнике
СБ, откуда возвращается насосом Н произво-
дителю пара. Таким образом используется теп-
лота конденсации греющего пара в подогрева-
теле Г; теплота, выделяющаяся при охлаждении
конденсата, используется в теплообменнике Т,
к тому же не потребляется вода для охлажде-
ния конденсата. Наличие сборника конденсата
СБ позволяет анализировать чистоту отводимо-
го конденсата перед возвращением его произво-
дителю пара. Использование теплоты конденса-
та греющего пара в самой установке позволяет
Рис. 6-6. Утилизация теплоты
конденсата греющего пара.
снизить расход греющего пара и тепловые выбросы (см. пример 6.2).
Пример 6.2. По данным примера 2.12рассчитать расход греющего пара и затраты
эксергии в выпарной установке, если исходный раствор подогревается в теплооб-
меннике-подогревателе конденсатом греющего пара, выходящего из выпарного ап-
260 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Главаб
парата. Расход теплоты на нагрев раствора QHaip = 98,4 кВт. Тепловая нагрузка
выпарной установки Q = 622,2 кВт.
Рис. 6-7. Утилизация теплоты конден-
сата греющего пара в процессе выпа-
ривания (к примеру 6.2).
Решение. Схема установки дана на рис. 6-7: АВ — выпарной аппарат;
1 — исходный раствор, который нагревается конденсатом 5 греющего пара
в подогревателе-холодильнике Г—X, в кото-
ром конденсат 5 охлаждается и выводится
поток 5охл; 3 — концентрированный рас-
твор; 4 — вторичный пар; 2ИСП — греющий
пар, необходимый только для процесса ис-
парения, 6 — тепловые потери.
Расход теплоты на испарение:
<?исп = Q - <Энагр = 622,2 - 98,4 = 523,8кВт
Для насыщенного греющего пара давлени-
ем Ргр.п = 300 кПа удельная теплота кон-
денсации Ггр.п = 2164,1 кДж/кг, его энталь-
пия ftrp.n = 2725,5 кДж/кг, энтропия з^п =
= 6,993кДж/(кг-К) (см. прилож. 2).
Расход греющего пара на испарение
<тисп = = St • 3600 = 871,3 кг/час.
^*гр.п 2164,1
Конденсатом этого пара нагревается исход-
ный раствор, температура конденсата при этом понижается до £охл
С?нагр = тиспс(^гр.п ~ ^охл)>
где с — теплоемкость конденсата греющего пара, т.е. воды, с = 4,19 кДж/кг;
trp.n = 133,5 °C — температура конденсации греющего пара давлением рф.п =
= 300 кПа (см. прил. 2). Решая это уравнение находят £Охл
98’4 = Sk • 4’19 • (133>5 -
toxn = 36,5 °C.
При этой температуре для охлаждаемого конденсата: Лохл = 152,8 кДж/кг, .som =
— 0,525 кДж/(кг-К) (см. прил. 1).
Эксергия охлажденного конденсата рассчитывается по формулам (2.13) и
(2.12):
Е5охп = [152,8 - 84,0 - 293(0,525 - 0,296)] = 0,41 кВт.
3600
Эксергия поступающего в установку греющего пара (только на испарение):
Ягисп = S?[2725,5 - 84,0 - 293(6,993 - 0,296)] = 164,4кВт.
3600
Термодеформационная составляющая эксергии поступающего в установку рас-
твора равна нулю Ej. = 0.
Вторичные энергоресурсы •Ф- 261
Тогда
= Ei+ Е2иСп = 164,4 кВт.
Затраты эксергии на дегидратацию раствора (см. пример 2.12):
ДД7
У
0,3
164,4
100 = 0,2%.
Потери эксергии со вторичным паром (см. пример 2.12)
Ei
У ДВХ
= йй'100 = 70’4%-
Потери эксергии с концентрированным раствором (см. пример 2.12)
Ез
У ДВХ
2,1
164,4
= 1,3%.
Потери эксергии с охлажденным конденсатом греющего пара
Д5охл = 100 = 0,2%.
У^вх 164’4
Эксергия тепловых потерь
Е6 = 1,9
У^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
[(1035 - 871,4)/1035] = 15,8%.
Потери эксергии из-за необратомости процессов в установке
D = Е3 + Ел + Е5охл + Е$ — Евх,
D = 2,1 + 115,8 + 0,41 + 1,9 - 164,4 = -44,2 кВт,
что составляет
D _ 44,2
v.<, -ц
100 = 26,8%.
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 Templifer (США) [Electro in Technihen
Ausbau 38(1980), A 4/5 Juli/September]. Он работает по замкнутому циклу, от
источника теплоты с температурой от 18 до 54 °C, температура получаемой
горячей воды колеблется от 60 до 104 °C. Фирмой выпускаются тепловые
262 -Ф ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА «Ф Глава о
Рис. 6-8. Утилизация теплоты горячей загрязненной жидкости с помощью пароэжекторного
теплового насоса.
насосы единичной тепловой мощностью (30... 5000) кВт. В моделях мощно-
стью (300... 5000) кВт используются герметичные центробежные компрессоры,
в моделях мощностью (30... 300) кВт — герметичные поршневые компрессоры.
Коэффициент преобразования находится в пределах 3.. .6 [48].
Для утилизации теплоты горячих загрязненных жидкостей могут быть ис-
пользованы теплонасосные установки с паровым эжектором. Горячая загрязнен-
Рис. 6-9. Утилизация теплоты го-
рячей загрязненной жидкости в
аппарате мгновенного вскипания.
ная жидкость 1 (рис. 6-8) поступает в аппарат
А, в котором с помощью парового эжектора Э
поддерживается вакуум. Температура жидкости
1 на (5... 10) К выше температуры насыщения,
соответствующей этому вакууму. Попав в аппа-
рат А, жидкость 1 мгновенно вскипает, ее пары
3 сжимаются эжектором Э, работающем на паре
4 высокого давления. Смесь 5 пара 3 и пара 4
при давлении меньше, чем у пара 4, но больше,
чем у пара 3, поступает потребителю ПТ. Кон-
центрированная остывшая жидкость 2 откачи-
вается насосом Н. Процесс кипения и испаре-
ния жидкости 1 происходит адиабатно. Так как
поступление жидкости 1 неравномерно во вре-
мени, аппарат А должен иметь достаточную ем-
кость для нормального функционирования всей
системы.
Утилизация теплоты горячих загрязненных
жидкостей возможна в аппаратах мгновенного
Вторичные энергоресурсы •v' 263
Рис. 6-10. Утилизация теплоты горячей агрессивной жидкости в аппаратах мгновенного
вскипания с промежуточным теплоносителем.
вскипания (рис. 6-9). Горячая загрязненная жидкость 1 поступает в испаритель
И, где поддерживается вакуум, соответствующий температуре насыщения, ко-
торая должна быть на (5... 10) К ниже температуры поступающей жидкости 1.
За счет скрытой теплоты парообразования происходит вскипание и испарение
жидкости. Парообразование происходит практически одновременно с поступ-
лением жидкости в испаритель. Процесс 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 4 стекает в поддон-сборник СБ, откуда отводится. Остыв-
шая на (5... 10) К и сконцентрированная загрязненная жидкость 5 отводится из
испарителя. Неконденсирующиеся газы 6 отсасываются вакуум-насосом.
Утилизацию теплоты горячей агрессивной жидкости целесообразно про-
водить в аппаратах мгновенного вскипания с промежуточным теплоносителем.
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 1 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 1 охлаждается и собирается в сборнике СБ.
264 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4- Глава!)
Например, если жидкость 1 имеет начальную температуру 90 °C, то для того,
чтобы охладить ее до 40 °C, необходимо четыре аппарата Т, если в каждом
из них жидкость 1 будет охлаждаться на (12... 13) К. При этом поток 3 может
быть нагрет от 30 до 80 °C, нагреваясь на (12... 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
Многие процессы химической технологии, например, выпарка, сушка,
Рис. 6-11. Утилизация
теплоты низкотемпера-
турного водяного пара
путем смешивания его с
водой.
кристаллизация сопровождаются выделением водяных
паров с температурой (100...60)°C в зависимости от
давления, при котором происходит процесс. Эти пары
либо выбрасываются в атмосферу, либо конденсиру-
ются в барометрических конденсаторах, где смешива-
ясь с водой конденсат стекает в канализацию. Схема
утилизации теплоты низкотемпературного водяного пара
путем смешивания его с водой представлена на рис. 6-11.
В аппарат А низкотемпературный водяной пар 2 по-
дается по трубе ТБ1. Холодная вода 1 поступает через
отверстия кольцевой трубы ТБ2 на решетки РШ. При
смешении водяного пара с водой происходит конденса-
ция пара и нагревание воды. Горячая вода 4 выводится
из аппарата А и подается потребителю. Неконденсиру-
ющиеся газы 3 удаляются либо через воздушку в атмо-
сферу, либо откачиваются вакуум-насосом.
Другим способом утилизации теплоты сбросных па-
ровых потоков является повышение их давления с по-
мощью термокомпрессоров — рекомпрессия паров. После
повышения потенциала пар может снова использовать-
ся в технологическом цикле.
При несовпадении по времени выхода и потреб-
ления пара следует устанавливать паровой аккумуля-
тор (рис. 6-12) [27]. Если давление пара от источни-
ка ИП повышается, 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 ак-
кумуляторе. Происходит зарядка аккумулятора. Когда
расход пара потребителем ПП превышает выход пара
от источника, давление в линии падает ниже давления
Рис. 6-12. Паровой акку-
мулятор.
Вторичные энергоресурсы Ф’ 265
в аккумуляторе, открывается обратный клапан ОК2, пар из аккумулятора по-
ступает 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,
теплоносителем (рис. 6-13). Сбросный
пар 1, например, при температуре
70 °C, поступает в конденсатор-испа-
ритель 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
за 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
собой замкнутый цикл парокомпрес-
сионного теплового насоса (рис. 4-16).
Около 80% общего количества получа-
применяются ТНУ с промежуточным
Рис. 6-13. Утилизация теплоты низкотемпе-
ратурного водяного пара с помощью ТНУ с
промежуточным теплоносителем.
емой энергии составляет теплота сбросного пара 1 и 20% поступает от привода
компрессора КМ.
В качестве конденсатора-испарителя могут применяться обычные пленоч-
ные или кожухотрубные испарители. Если пар загрязнен механическими части-
цами, 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
влаги, 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 процесс, связано с использованием
теплоты вторичного пара.
Экономия энергии в выпарных установках может достигаться тремя спо-
собами: многоступенчатым испарением; применением термокомпрессора со
266 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4 Главаб
счет использования вторичного
Рис. 6-14. Утилизация теплоты вто-
ричного пара выпарной установки с
помощью парового эжектора.
струйным сжатием паров (парового эжектора); применением термокомпрес-
сора с механическим сжатием паров (компрессора с электроприводом или
с приводом от двигателя внутреннего сгорания).
Многоступенчатая выпарная установка уменьшает потребление теплоты за
ара предыдущего корпуса в последующем
корпусе. Увеличение числа корпусов при-
водит к увеличению абсолютной эконо-
мии теплоты, но относительная экономия
уменьшается. Так, двухкорпусная выпарная
установка, по сравнению с однокорпусной
экономит 50% пара, а трехкорпусная по
сравнению с двухкорпусной — только 17%.
При этом увеличение количества корпусов
приводит к снижению температурного на-
пора в каждом корпусе, что требует увели-
чения площади теплопередающих поверх-
ностей и удорожает установку. Возрастание
цены на топливо вызвало увеличение (за
рубежом) количества корпусов в выпарных
установках до 7.
При применении парового эжектора Э
(рис. 6-14) вторичный пар 1 выпарного ап-
парата АВ сжимается с помощью пара 2 вы-
сокого давления. Получаемый пар 3 имеет
давление и температуру больше чем пар 1, но меньше, чем пар 2. В одно-
корпусной выпарной установке паром 3 обогревается выпарной аппарат АВ,
куда поступает разбавленный раствор 4, отводится концентрированный раствор
6 и конденсат 5 пара 3. Избыток пара 1 (поток 8) или пара 3 (поток 7)
используются в других установках.
В многокорпусных 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
эжектора должно определяться на основании технико-экономических расчетов.
Установка эжектора, сжимающего вторичный пар первого корпуса в трех-
корпусной выпарной установке, делает ее равной по расходу пара четырехкор-
пусной установке и позволяет уменьшить расход пара на 75% по сравнению
с однокорпусной. Термокомпрессор позволяет увеличить эффективность уста-
новки с меньшими затратами, чем установка дополнительного корпуса.
Применение 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 примерно 0,9 кг вторично-
го пара на 1 кг греющего).
Вторичные энергоресурсы Ф 267
Рис. 6-15. Утилизация теплоты вторичного пара выпарной установки с помощью ТНУ с
турбокомпрессором: а — схема установки; б — изображение процессов в h — s координатах.
Паровые эжекторы просты в изготовлении и эксплуатации, высоконадеж-
ны, однако негативной стороной такой установки является низкий КПД эжек-
тора и необходимость использования всего количества пара, образующегося
после сжатия.
Использование механического сжатия вторичного пара позволяет устранить
недостатки термокомпрессора с паровым эжектором. Но смазка компрессора
не должна загрязнять сжимаемые пары. Требуется также хорошая сепарация
пара, чтобы капли упариваемого раствора не могли попасть в проточную часть
компрессора. В отличие от установок с применением струйного компрессора,
когда образуется излишек греющего пара, в ТНУ с турбокомпрессором при-
268 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4- Глава b
ходится добавлять некоторое количество первичного греющего пара для обо-
грева выпарного аппарата. Из трубного пространства выпарного аппарата АВ
(рис. 6-15а) вторичный пар 4, имеющий давление рх, поступает в турбокомпрес-
сор КМ, где сжимается до рабочего давления р2 греющего пара и подается да
обогрева аппарата АВ. За счет энергии, подведенной к компрессору, повыша-
ется давление и температура пара (см. рис. 6-156). С этим связанно увеличение,
по сравнению с необходимым, температурного напора между кипящим раство-
ром и перегретым паром. Увеличение температурного напора приводит к до-
полнительным потерям эксергии. Таким образом, для увеличения эффективно-
сти работы системы при постоянном расходе теплоты на выпаривание следует
уменьшить степень сжатия вторичного пара, а недостающую теплоту добавлять
с первичным греющим паром (поток 2ДОП рис. 6-15а). Первичный греющий пар
необходим также на период пуска установки. Конденсат 5, отводимый из АВ,
следует использовать для нагрева исходного раствора 1 в подогревателе Г—X,
в котором конденсат 5 охлаждается (см. пример 6.2).
Если приводом компрессора является дизельный 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 W = 800 кг/час. Расход насыщенного греющего пара тгр.п = 1035 кг/с,
его давление ргр.п = 300 кПа. Сравнить полученные результаты с результатами
расчетов примеров 2.12 и 6.2.
Решение. Вторичный пар 4 (рис. 6-15а) выпарного аппарата АВ является
насыщенным паром (точка 4 рис. 6-156), его степень сухости х = 1, давление
Pt = Pi = 100 кПа, энтальпия hi = 2676 кДж/кг, энтропия з4 = 7,36кДж/(кгК),
температура f4 = 99,6 °C (см. прил. 2).
При адиабатном сжатии (з4 = зг) вторичного пара турбокомпрессором КМ
(процесс 4—2) до давления рг = 300 кПа его энтальпия возрастает до значения
/i2 = 2886 кДж/кг (см. прил. 5).
Удельная работа компрессора
1км — — (^2 — hi),
1км = -(2886 - 2676) = -210 кДж/кг.
Мощность, затрачиваемая компрессором
Ркм
где ркм — общий КПД компрессора, принимается /?км = 0,5
800 -210 „„„ „
” = зёоо' "оаГ = ~93,3 кВт'
Эксергия, потребляемая компрессором (знак «минус» опущен)
Екм = N — 93,3 кВт.
Вторичные энергоресурсы 269
При давлении = 300 кПа = const сжатый перегретый пар охлаждается и кон-
денсируется (процесс 2—5), отдавая теплоту Q. Энтальпия конденсата =
= 561 кДж/кг при р2 = 300 кПа и х = 0 (см. прил. 2)
Удельная теплота охлаждения и конденсации:
ЗкОНД — h#
9конд = 561 - 2886 = -2325 кДж/кг.
Общий расход теплоты:
ФкОНД — W </кОНД>
Зконд = • (-2325) = -516,7 кВт.
Коэффициент парообразования теплового насоса:
£?КОНД
-516,7 г =
<р = —---- = 5,5.
-93,3
Тепловая нагрузка выпарного аппарата <ЭИСП = 523,8 кВт (см. пример 6.2). От
сжатого вторичного пара подводится <2КОНд = 516,7 кВт. Следовательно, с до-
бавляемым греющим паром (поток 2ДОП рис. 6-15а) необходимо подвести:
<2доп = Q - Фконд = 523,8 - 516,7 = 7,1 кВт = 26,0 МДж/час.
При давлении рГр.п = 300 кПа удельная теплота конденсации Ггр.п =
= 2164,1 кДж/кг (см. прил. 2), тогда необходимый расход добавляемого
греющего пара
тдоп = 7^7 = 2164Д = 3,3 ’103 = 12’0кг/час‘
Таким образом, затраты греющего пара уменьшились на [(1035 - 12,0)/1035] х
х 100 = 98,8% по сравнению с примером 2.12, когда вся теплота (и на нагрев,
и на испарение) подводилось со свежим греющим паром. Однако для работы
установки с термокомпрессором требуется электроэнергия. Оценить работу
установки по суммарному потреблению 7,2 кВт тепловой энергии греющего
пара и 93,3 кВт электроэнергии, потребляемой компрессором, невозможно. Но
возможно провести анализ по суммарным эксергетическим затратам.
Подведенная с добавляемым греющим паром эксергия (см. расчет Е2 в при-
мере 2.12) .
12 О
Едоп = т^М(2725,5 - 84,0) - 293(6,993 - 0,296)1 = 2,3 кВт.
3600
Затраты эксергии при использовании термокомпрессора складываются из за-
трат на компрессор и затрат с добавляемым греющим паром
52 тну = 93,3 -I- 2,3 = 95,6 кВт.
При подводе теплоты, необходимой для испарения, только с греющим паром,
подвод эксергии к установке составлял:
52 Двх = 164,4 кВт (см. пример 6.2).
270 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Главаб
Затраты эксергии на установку при использовании термокомпрессора меньше
на (164,4 - 95,6)/164,4 • 100 = 42%.
Стоимость энергозатрат на установку, работающую с применением ТНУ
сттну = ^эл + ецп,
где Цэл — стоимость электроэнегии, руб/(кВТч); Цп — стоимость теплоты
греющего пара, руб/МДж;
СтТНу = 93,3 • Цэл + 26,0 • Цп.
Стоимость энергозатрат при обогреве только греющим паром
Ст = QUn,
Q = 523,8 кВт = 1885,7 МДж/час,
Ст = 1885,7 • Цп.
Целесообразность применения ТНУ зависит от соотношения цен на элек-
троэнергию и пар. Необходимо также учитывать стоимость установок и их
обслуживание.
В рассчитанной установке:
• доля затрат эксергии на дегидратацию
Е7____
Евх тну
0,3
= ^_.100 = 0,3%;
• доля потерь эксергии с охлажденным конденсатом вторичного и греющего
пара (Ебохл примерно равно значению, рассчитанному в примере 6.2)
—£/5охл- = • 100 = 0,4%;
£>вхтну 95’6
• доля эксергии, уходящей с концентрированным раствором
Е3
^вх.тну
йг100=2-2%;
• доля эксергии тепловых потерь
Eq
Елх тну
1 9
= 9Й '100 = 2’“-
Таким образом, потери эксергии с теплотой потоков, выходящих из установки,
составляют 0,4 + 2,2 + 2,0 = 4,6% от подведенной эксергии, что значительно
меньше, 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 помощью термокомпрессора:
D — Ез + Езохл + Ед — У ЕВх тну,
D = 2,2 + 0,4 + 2,0 - 95,6 = -91,0 кВт,
Вторичные энергоресурсы Ф 271
что составляет
D _ 91,0
УЗ^вхтну ~ 95’6
100 = 95,2 %.
Таким образом, в этом примере становятся основными внутренние потери
эксергии. Эти потери существенно не уменьшить при концентрировании рас-
творов в выпарных установках. Естественно, что при технико-экономическом
расчете оптимальное решение будет определяться не только затратами на гре-
ющий 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, процесс сушки промежу-
точных и конечных продуктов является одним из наиболее энергоемких про-
цессов. Этот процесс в основном осуществляется в ковективных сушильных
установках (СУ), на долю которых приходится более 90% от общего чис-
ла сушилок. В качестве сушильного агента чаще всего используется воздух,
иногда для предотвращения окисления используются другие газы, например,
азот. Тепловой КПД большинства СУ составляет от 12 редко до 60%. Затраты
энергии достигают 23 МДж на один килограмм удаляемой влаги, что почти
в 10 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 сушильным агентом, уходящим из СУ, который уносит с собой
теплоту, затраченную на испарение влаги. При температурах отработанного
сушильного агента (30... 80 °C), эти потери составляют от 15 до 40% от общего
расхода теплоты на сушку. Очевидно, что рациональное использование теплоты
уходящего сушильного агента снизит теплопотери.
Рис. 6-16. Утилизация теплоты отработанного воздуха СУ с помощью теплообменника.
272 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Главаб
Рис. 6-17. Утилизация теплоты отработанного воздуха СУ с помощью теплообменников с
промежуточным теплоносителем.
В простейшей установке (рис. 6-16) утилизация теплоты отработанного воз-
духа СУ производится с помощью теплообменника рекуператора ТР, в котором
входящий воздух 1 нагревается потоком отходящего из сушилки СШ воздуха!
Догрев воздуха до требуемой температуры происходит в дополнительном подо-
гревателе ГД с помощью греющего пара или путем электрообогрева, как пока-
зано на рисунке. Вместо теплообменника-рекуператора может использоваться
теплообменник-регенератор, аналогично схемам для утилизации теплоты вен-
тиляционных выбросов (см. рис. 6-26—6-28).
В некоторых случаях утилизацию теплоты отработанного воздуха целесооб-
разнее проводить с помощью теплообменников с промежуточным теплоносите-
лем. Отработанный 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. Циркуляция теп-
лоносителя 4 производится насосом Н. В таких условиях теплота, полученная
атмосферным воздухом в подогревателе Г, недостаточна для нагрева его до
нужной температуры, поэтому устанавливается дополнительный подогреватель
ГД, работающий 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 эффективность
этой схемы примерно равна эффективности прямого подогрева входящего воз-
духа уходящим (рис. 6-16), но диаметры трубопроводов для промежуточного
теплоносителя и поверхности теплообменников меньше, что приводит к мень-
шим затратам. Расход промежуточного теплоносителя выбирается из условия
недопущения 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 сушилки СШ (рис. 6-18) отработанный влажный воздух 2
охлаждается в холодильнике-испарителе X—И и только после этого выбрасыва-
ется в атмосферу. За счет теплоты, отданной отработанным воздухом, работает
Вторичные энергоресурсы 273
Рис. 6-19. Утилизация теплоты отрабо-
танного газа СУ с помощью ТНУ, замкну-
тая схема по газу.
Рис. 6-18. Утилизация теплоты отработан-
ного воздуха СУ с помощью ТНУ, разомкну-
тая схема по воздуху.
теплонасосная установка с рабочим агентом 4. Рабочий агент 4 испаряется
в холодильнике-испарителе X—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 холодильнике-
испарителе X—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 X—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 Главаб
насоса с рабочим агентом 4. Рабочий агент 4 испаряется в холодильнике-
испарителе X—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
Рис. 6-20. Утилизация теплоты
дефлегмации в РУ: ТНУ, рабо-
тающая по открытому циклу на
флегме.
конденсации 4 и теплота, выделяющаяся при
его конденсации, достаточны для нагрева газа
3 в подогревателе-конденсаторе Г—К. Рабочий
агент 4 теплонасосной установки дросселирует-
ся через дроссель ДР, при этом его давление
и температура понижаются до давления и тем-
пературы испарения в холодильнике-испарите-
ле X—И. Для уменьшения количества тепло-
ты, необходимой для нагрева, применяется бай-
пасирование части отработанного газа 6 мимо
холодильника-испарителя X—И, что увеличива-
ет температуру потока 3 перед подогревателем-
конденсатором Г—К, т.е. применяется рецир-
куляция части отработанного газа. Такие схе-
мы особенно целесообразно использовать, ес-
ли сушильным агентом является азот или иной
газ. Они наиболее эффективны при высокой от-
носительной влажности уходящего из сушилки
газа. При относительной влажности отработан-
ного газа менее 30% они становятся невыгод-
ными. Это объясняется уменьшением доли теп-
лоты конденсации влаги из газа, что приводит
к понижению температуры испарения в холо-
дильнике-испарителе X—И и, соответственно, при постоянной температуре
конденсации в Г—К, к уменьшению коэффициента преобразования ТНУ.
6.3.7. Утилизация теплоты в процессах ректификации
Ректификационные установки являются крупными потребителями энер-
гии. В традиционно применяемой схеме необходимая для процесса теплота
подводится в куб колонны с греющим 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 возникают проблемы с дефлегмацией и качеством дистиллята. Утилиза-
ция теплоты в процессе ректификации в основном сводится к использованию
теплоты дефлегмации (конденсации флегмы и дистиллята). При этом исклю-
чается сложная и материалоемкая система охлаждения водой или воздухом
и одновременно исключается влияние температуры окружающей среды на
Вторичные энергоресурсы ф- 275
Рис. 6-21. Утилизация теплоты де-
флегмации в РУ: ТНУ, работающая по
открытому циклу на кубовой жидкости.
Рис. 6-22. Утилизация теплоты де-
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. 1 — 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 ДФ—И, обеспе-
чивая флегмой 4 колонну РК. С другой стороны, дефлегматор ДФ—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 О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Главаб
Рис. 6-23. Утилизация теплоты дефлег-
мации в РУ: ТНУ, работающая на кубо-
вом остатке.
Рис. 6-24. Утилизация теплоты дефлег-
мации в РУ с промежуточным кипятиль-
ником: ТНУ, работающая на части верх-
него продукта.
ТНУ с промежуточным рабочим агентом 7, см. рис. 6-22. Рабочий агент 7
испаряется в дефлегматоре-испарителе ДФ—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 расширения в дроссель-
вентиле ДР поступает в дефлегматор, отбирает теплоту дефлегмации, сжи-
мается в компрессоре КМ и отдает эту теплоту (умноженную на коэффици-
ент преобразования ТНУ), конденсируясь в конденсаторе-кипятильнике К-К.
Остальные обозначения как на рис. 6-22.
Преимуществом схем с использованием ТНУ для утилизации теплоты
в процессах ректификации является уменьшение суммарной поверхности теп-
лообмена и снижение расхода энергии на 25... 30%, так как при ректификации
близкокипящих смесей требуются сравнительно небольшие затраты на сжатие
(отношение давлений б не превышает 2). По схемам с ТНУ были спроектиро-
ваны и работают в настоящее время установки как в нашей стране, так и за
рубежом. Срок окупаемости их обычно менее одного года.
Вторичные энергоресурсы •v- 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 кипятильником и ТНУ, работающей на части верхнего про-
дукта (рис. 6-24). В кипятильник К—К2 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 ДР 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—К1, обогреваемый греющим
паром 7. Чем выше давление сжатых паров 3', тем ближе к нижней части
колонны будет находиться отбор жидкости в промежуточный кипятильник К—
К2, тем больше энергии будет затрачиваться на сжатие и меньше теплоты
поступать с греющим 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
Qf + Qrp.n = Фдф + Qd + Qw + Q пот>
где индексами обозначены потоки теплоты: f — с исходной смесью; гр.п —
с греющим паром в кубе К—К1, дф — с водой в дифлегматоре ДФ; & —
с дистиллятом; w — с кубовым остатком; Пот — потери теплоты в окружающую
среду.
Для энергетического сопоставления примем следующие допущения: в схеме
с ТНУ состав потоков, их расход и температуры сохраняются, только <ЭДф = 0.
Затраты первичной энергии сосредоточены в величине Qrp.n, причем в обычной
схеме полный расход топлива
В1 = frjp.nQrp.n,
где ^гр.п — удельный расход топлива на единицу теплоты, подводимой с грею-
щим паром в куб колонны, кг/ГДж.
В схеме с тепловым насосом
В2 = ЭЬэ = О^ьэ,
Ч>
278 < ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Главаб
где Э — затраченная на компрессор электроэнергия; Ьэ — удельный расход топ-
лива на выработку электроэнергии с учетом потерь в электросети, кг/(кВтч);
= <Эгр.п/Э — коэффициент преобразования теплового насоса.
Для суждения о возможной экономии или перерасходе топлива в сопостав-
ляемых схемах вводится относительный расход топлива
b = (6.8)
-^1 ^Огр.пУгр.п ^гр.п
Для расчета следует по термодинамическим таблицам или диаграммам
определить отношение теплоты конденсации паров после компрессора к за-
траченной на сжатие работе. Приближенно можно рассчитать р через рь иде-
ального цикла Карно с эмпирической поправкой:
Тконд /Z А.
<Р = Г1-----, (6.9)
-*конд ~ -*исп
где Тконд — температура конденсации паров после компрессора, К; Тисп -
температура испарения дистиллята, К; т? = 0,6 — эмпирический коэффициент.
Определим граничное значение ^гр, при котором расход топлива для обыч-
ной и теплонасосной схем одинаков, т. е. b = 1, и следовательно:
¥>п> = Л-- (6.10)
^гр.п
Если <р < </?гр, то b > 1 и получается перерасход топлива, а если р > </?гр и b < 1 -
то его экономия. Если принять Ьэ = 0,35кг/(кВт-ч) и 6гр,п — 41,8кг/ГДж (здесь
и далее топливо условное), то <ргр = 2,3 и относительный расход топлива можно
представить как Ь = 2,3/ip. Поскольку определяется в основном разностью
температур, можно оценить граничное значение этой разности
ДТгр = ТКОНд - Тисп = »?— = 0,6^4 « 0,25ТКОНд.
^гр 2,о
Если Тконд = 360 К, то ДТрр = 90 К, т. е. при Тконд - Гисп < 90 К тепловой насос
может дать экономию топлива в сравнении с обычной схемой.
В связи с приближенностью оценок и неучетом влияния дополнительных
экономических ограничений значение ДТгр 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 теплофикационной установкой,
обычно имеет давление 1,2 МПа и температуру около 185 °C. Температура кипе-
ния в кубе ректификационной колонны обычно не превышает 100 °C. Греющий
пар перед подачей в теплообменные устройства дросселируется до давления
0,3 МПа, что вызывает существенные потери эксергии. Дополнительные потери
эксергии имеют место из-за значительной разности температур конденсирую-
щегося греющего пара и кипящей в кубе жидкости. Эта разность температур
составляет более 30 К, если пар конденсируется при давлении 0,3 МПа, а кубо-
вая жидкость кипит при температуре менее 100 °C. Вся энергетическая выгода
теплового насоса состоит в устранении этих потерь и в утилизации теплоты па-
рообразного верхнего продукта (флегмы и дистилята). Пар давлением 1,2 МПа
Вторичные энергоресурсы 279
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
1 1 о
ip = — =----= 3.
W 7] 0,33
Если температура кипения в кубе 100 °C, а температура паров дистиллята 76 °C
(например, вода — этиловый спирт), то после сжатия компрессором темпера-
тура конденсации паров (подаваемых на обогрев куба) должна быть примерно
115 °C, тогда
Гконд . 273 + 115 „
<р = 0,6------=---= 0,6----------- 6.
’ Тконд-Тисп 115-76
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-расширитель 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 Глава 6
Рис. 6-26. Утилизация теплоты вентиляционных выбросов при помощи вращающегося
регенеративного теплообменника.
в этом случае являются небольшие капиталовложения и надежность
эксплуатации.
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... 30)% от обще-
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 осложняет их утилизацию.
Использование теплоты вентиляционных выбросов позволяет снизить рас-
ход топлива на отопление промышленных предприятий не менее чем на
(35.. .40)%. В настоящее время имеется достаточно разработок для использова-
ния теплоты вентиляционных выбросов. Это установки с вращающимися ре-
генеративными теплообменниками, установки с промежуточным теплоносите-
лем, установки с тепловыми трубами, установки с циркуляцией теплоносителя
в кипящем слое в регенеративном теплообменнике.
Схема установки с промежуточным теплоносителем аналогична схеме уста-
новки для утилизации теплоты конвективной сушильной установки (см.
рис. 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 Ц 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 +24 °C вытяжного воздуха 4, холодный воздух 1 может быть нагрет
от -9 до +16 °C. Поток 2 с температурой +16 °C дополнительно нагревается до
+18 °C в калорифере ГВ. Поток 3 с температурой +18 °C 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 (70... 75)% теплоты.
Вместо вращающегося регенеративного теплообменника может быть ис-
пользован невращающийся 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 4 Главаб
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 теплоносителя. Теплый воздух 3
(рис. 6-28) поступает в секцию ТР1 регенеративного теплообменника, где отда-
ет тепло зернистой насадке 6. Насадка отдает тепло промежуточному жидкому
теплоносителю 5, который с помощью насоса Н непрерывно 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 7, который
нагревается. Нагретый поток 2 подается потребителю. Остывший воздух 4
выбрасывается в атмосферу. РШ — газораспределительная решетка. Давление
потоков 1 и 3 таково, что зернистая насадка находится в состоянии кипения.
subsectionflushgluedottedtocline23.5em 1.5em
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Термодинамические свойства воды и водяного пара.
Состояние насыщения (по температурам)
t, °C р- 1(Г5, Па V1 103, м3/кг v" м3/кг А', кДж/кг h", кДж/кг г, кДж/кг в', кДж/ (кг-К) з", кДж/ (КГ-К)
0 0,006108 1,0002 206,321 -0,04 2501,0 2501,0 -0,02 9,1565
1 0,006112 1,00022 206,175 0,0006 2501,0 2501,0 0,0000 9,1562
5 0,008718 0,012271 1,000 147,167 21,01 41,99 2510,2 2519,4 2489,2 0,0762 8,9496
10 1,0003 106,419 2477,4 0,1510 8,9009
15 0,017040 1,0008 77,970 62,94 2528,6 2465,7 0,2243 8,7815
20 0,023368 1,0017 57,833 83,86 2537,7 2453,8 0,2963 8,6674
25 0,03166 1,0029 43,399 104,77 2546,8 2555,9 2442,0 0,3670 8,5583
30 0,04242 1,0043 32,929 125,66 2430,2 0,4365 8,4537
35 0,05622 1,0060 25,246 146,56 2565,0 2574,0 2418,4 2406,5 0,5049 8,3536
40 0,07375 1,0078 19,548 167,45 0,5721 8,2576
45 0,09582 1,0099 1,0121 15,278 188,35 209,26 2582,9 2591,8 2394,5 0,6383 8,1655
50 0,1234 12,048 2385,0 0,7035 8,0771
55 0,1574 1,0145 9,5812 230,17 2600,7 2609,5 2370,5 0,7677 7,9922
60 0,1992 1,0171 7,6807 251,09 2358,4 0,8310 7,9106
65 0,2501 0,3116 1,0199 1,0228 6,2042 272,02 2618,2 2626,8 2346,2 0,8933 7,8320
70 5,0479 292,97 2333,8 0,9548 7,7565
75 0,3855 1,0259 4,1356 313,94 2635,3 2321,4 1,0154 7,6837
80 0,4736 1,0292 3,4104 334,92 2643,8 2308,9 1,0752 7,6135
85 0,5780 1,0326 2,8300 355,92 2652,1 2296,2 1,1343 7,5459
90 0,7011 1,0361 2,3624 376,94 2660,3 2283,4 1,1925 1,2500 7,4805
95 0,8452 1,0398 1,9832 397,99 2668,4 2270,4 7,4174
100 1,0132 1,0437 1,6738 419,06 2676,3 2257,2 1,3069 7,3564
105 1,2080 1,0477 1,4200 440,17 461,32 2684,1 2243,9 1,3630 7,2974
110 1,4326 1,0519 1,2106 2691,8 2230,5 1,4185 7,2402
115 1,6905 1,0562 1,0606 1,0369 482,50 503,70 2697,8 2216,8 1,4733 7,1848
120 1,9854 0,8920 2706,6 2202,9 1,5384 7,1310
125 2,3209 1,0652 0,7707 525,00 2713,8 2188,8 1,5813 7,0788
130 2,7012 1,0700 0,6685 0,5821 546,30 2720,7 2174,4 1,6344 7,0281
135 3,1306 1,0750 567,70 2727,4 2159,7 1,6869 6,9787
140 3,6136 1,0801 0,5088 589,1 2734,0 2746,3 2144,9 1,7390 6,9307
150 4,7597 1,0908 0,3926 632,2 2114,1 1,8416 6,8381
160 6,1804 7,9202 1,1022 1,1145 0,3068 675,5 719,1 2757,7 2082,2 1,9425 6,7498
170 0,2426 2768,0 2048,9 2,0416 6,6652
180 10,027 1,1275 0,1938 763,1 2777,1 2014,0 2,1393 6,5838
190 12,552 1,1415 0,1563 807,5 2784,9 1977,4 2,2356 6,5052
200 15,551 1,1565 0,1271 852,4 2791,4 1939,0 2,3307 6,4289
210 19,079 1,1726 0,1042 897,8 2796,4 1898,6 2,4247 6,3546
Параметры критического состояния:
Давление, Па ................................... 2,2115 • 107
Температура, °C ................................... 374,12
Удельный объем, м3/кг ........................... 0,003147
Удельная энтальпия, кДж/кг ........................ 2095,2
Удельная энтропия, кДж/(кг-К) ..................... 4,4237
284 > ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложение 2
Термодинамические свойства воды и водяного пара.
Состояние насыщения (по давлениям)
р-10”5, Па t, °C v' 103, м3/кг v", м3/кг hf, кДж/кг h", кДж/кг г, кДж/кг s', кДж/ (кг-К) в", кДж/ (кг-К)
0,01 6,98 1,0001 129,208 29,33 2513,8 2484,5 0,1060 0,3119 8,9756
0,025 21,09 1,0020 54,256 88,44 2539,7 2451,3 8,6431
0,050 32,90 1,0052 28,196 137,77 2561,2 2423,4 0,4762 8,3952
0,075 40,32 1,0079 19,241 168,77 2574,5 2405,7 0,5763 8,2517
0,10 45,83 1,0102 14,676 10,025 191,84 2584,4 2392,6 0,6493 8,1505
0,15 54,00 1,0140 225,98 2598,9 2372,9 0,7549 8,0089
0,20 60,09 1,0172 7,6515 6,2060 251,46 2609,6 2358,1 0,8321 0,8932 7,9092
0,25 64,99 1,0199 271,99 2618,1 2346,1 7,8321
0,30 69,12 75,89 1,0223 1,0265 5,2308 289,31 2525,3 2336,0 2319,2 0,9441 7,7695
0,40 3,9949 317,65 2636,8 1,0261 7,6711
0,60 85,95 1,0333 2,7329 359,93 2653,6 2293,7 2274,3 1,1454 7,5332 7,4360
0,80 93,51 1,0387 2,0879 391,72 2666,0 2675,7 1,2330
1,00 99,63 1,0434 1,6946 417,51 2258,2 1,3027 7,3608
1,5 111,37 1,0530 1,1597 467,13 2693,9 2226,8 1,4336 7,2248
2,0 120,23 127,43 1,0608 0,8859 504,7 2706,9 2202,2 1,5301 7,1286
2,5 1,0675 0,7188 535,4 2717,2 2181,8 1,6072 7,0540
3,0 133,54 1,0735 0,6059 561,4 2725,5 2164,1 1,6717 6,9930
3,5 138,88 1,0789 0,5242 584,3 2732,5 2148,2 1,7273 6,9414
4,0 143,62 1,0839 0,4624 604,7 2738,5 2133,8 1,7764 6,8966
4,5 147,92 1,0885 0,4139 623,2 2743,8 2120,6 1,8204 6,8570
5,0 151,85 1,0928 0,3748 640,1 2748,5 2108,4 1,8604 6,8215
6,0 158,84 1,1009 1,1082 0,3156 670,4 2756,4 2086,0 1,9308 6,7598
7,0 164,96 0,2727 697,1 2762,9 2065,8 1,9918 6,7074
8,0 170,42 1,1150 0,2403 720,9 2768,4 2047,5 2,0457 6,6618
9,0 175,36 1,1213 0,2148 742,6 2773,0 2030,4 2,0941 6,6212
10,0 179,88 1,1274 0,1943 762,6 2777,0 2014,4 2,1382 6,5847
11,0 184,06 187,96 1,1331 0,1774 781,1 798,4 2780,4 1999,3 1985,0 2,1786 6,5515
12,0 1,1386 0,1632 2783,4 2,2160 6,5210
13,0 191,60 1,1438 0,1511 0,1407 814,7 2786,0 1971,3 2,2509 6,2509
14,0 195,04 1,1489 830,1 2788,4 1958,3 2,2836 6,4665
15,0 198,28 1,1538 0,1316 844,7 2790,4 1945,7 2,3144 6,4418
16,0 201,37 1,1586 0,1237 858,6 2792,2 1933,6 2,3436 6,4187
17,0 204,30 1,1633 0,1166 871,8 2793,8 1922,0 2,3712 2,3976 6,3967
18,0 207,10 1,1678 0,1103 884,6 2795,1 1910,5 6,3759
19,0 209,79 1,1722 0,1046 896,8 2796,4 1899,6 2,4227 2,4468 6,3561
20,0 212,37 1,1766 0,0995 908,6 2797,4 1888,8 6,3373
Параметры критического состояния:
Давление, Па ................................... 2,2115 • 107
Температура, °C ................................... 374,12
Удельный объем, м3/кг ........................... 0,003147
Удельная энтальпия, кДж/кг ........................ 2095,2
Удельная энтропия, кДж/(кг-К) ..................... 4,4237
Приложения ❖ 285
Приложение 3
Вода и перегретый водяной пар
Единицы физических величин: t, °C; v, м3/кг; h, кДж/кг; в,кДж/(кг-К)
Параметры критического состояния:
Давление, Па ............................. 2,2115 -107
Температура, °C ............................. 374,12
Удельный объем, м3/кг ..................... 0,003147
Удельная энтальпия, кДж/кг .................. 2095,2
Удельная энтропия, кДж/(кг-К) ............... 4,4237
р = 1 кПа P = 5 кПа P = 10 кПа
ts = 6,982 ; h" = 2675,7; ts = 120,23; h” = 2706,9; ts = 133,54; h” = 2725,5;
v" = 1,6946; в" = 7,3608 v" = 0,88592; s" = : 7,1286 v" = 0,60586; s" = = 6,9930
t V h s V h s V H s
0 0,0010002 0,0 0,0001 0,0010002 0,0 0,0001 0,0010002 0,0 0,0001
10 130,60 2519,5 8,9956 0,0010002 42,0 0,1510 0,0010002 42,0 0,1510
20 135,23 2538,1 9,0604 0,0010017 0,0010043 83,9 0,2963 0,0010017 83,9 0,2963
30 139,85 2556,8 9,1230 125,7 0,4365 0,0010043 125,7 0,4365
40 144,47 149,09 2575,5 9,1837 28,86 2574,6 8,4385 0,0010078 167,4 0,5721
50 2594,2 9,2426 29,78 2593,4 8,4977 14,87 2592,3 8,1752
100 172,19 195,27 2688,3 9,5132 34,42 2687,9 8,7695 17,20 2687,3 8,4484
150 2783,4 9,7523 39,04 43,66 2783,1 9,0091 19,51 2782,8 8,6885
200 218,3 2879,7 9,9674 2879,5 9,2244 21,82 2879,3 8,9041
250 241,4 2977,4 10,1636 48,28 2977,3 9,4207 24,14 2977,1 9,1006
p = 20 кПа P = 30 кПа P = 50 кПа
ts = 60,09; h" = 2609,6; ts = 69,12; h" = 2625,3; ts = 81,35; h" = 2646,0;
v" = 7,6515; s" = 7,9092 v" = 5,2308; s" = 7,7695 v" = 3,2415; s" = 7,5951
t V h s V . h s V h s
0 0,0010002 0,0 0,0001 0,0010002 0,0 0,0001 0,0010002 0,0 0,0001
10 0,0010002 42,0 0,1510 0,0010002 42,0 0,1510 0,0010002 42,0 0,1510
20 0,0010017 83,9 0,2963 0,0010017 83,9 0,2963 0,0010017 83,9 0,2963
30 0,0010043 125,7 0,4365 0,0010043 125,7 0,4365 0,0010043 125,7 0,4365
40 0,0010078 167,5 0,5721 0,0010078 167,5 0,5721 0,0010078 167,5 0,5721
50 0,0010121 0,0010171 209,3 0,7035 0,0010121 209,3 0,7035 0,0010121 209,3 0,7035
60 251,1 0,8310 0,0010171 251,1 0,8310 0,0010171 251,1 0,8310
70 7,884 2628,6 7,9654 5,245 2626,9 7,7744 0,0010228 293,0 0,9548
80 8,119 2647,8 8,0205 5,402 2646,3 7,8301 0,0010292 334,9 1,0752
90 8,352 2667,0 8,0740 5,559 2665,7 7,8841 3,324 2663,0 7,6425
100 8,568 2686,1 8,1261 5,716 2684,9 7,9365 3,419 2682,6 7,6958
150 9,748 2782,1 8,3674 6,494 2781,4 8,1790 3,890 2780,0 7,9407
200 10,907 2878,8 8,5834 7,268 2878,4 8,3956 4,356 2877,5 8,1584
250 12,064 2976,7 8,7802 8,040 2976,4 8,5926 4,820 2975,8 8,3560
286 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложение 3 (окончание)
р = 100 кПа p = 200 кПа p = 300 кПа
ts = 99,63; h" = 2675,7; ts =120,23; h" = 2706,9; ts = 133,54; h" = 2725,5;
v" = 1,6946; s" = 7,3608 v" = 0,8859; s" = 7,1286 v" = 0,60586; s" = : 6,9930
t V h s V h s V h s
0 0,0010002 0,0 0,0001 0,0010001 0,2 0,0001 0,0010001 0,3 0,0001
10 0,0010002 42,1 0,1510 0,010002 42,2 0,1510 0,0010001 42,3 0,1510
20 0,0010017 84,0 0,2963 0,0010016 84,0 0,2963 0,0010016 84,1 0,2962
30 0,0010043 125,8 167,5 0,4365 0,0010042 125,8 0,4364 0,0010042 125,9 167,7 0,4364
40 0,0010078 0,5721 0,0010077 167,6 0,5720 0,0010077 0,5720
50 0,0010121 209,3 251,2 0,7035 0,0010120 209,4 251,2 0,7034 0,0010120 209,5 0,7034
60 0,0010171 0,8309 0,0010171 0,8309 0,0010170 251,3 0,8308
70 0,0010228 293,0 0,9548 0,0010228 0,010291 293,1 0,9547 0,0010227 0,0010291 293,2 0,9546
80 0,0010292 335,0 1,0752 335,0 1,0752 335,1 1,0751
90 0,0010361 377,0 1,1925 0,0010361 377,0 1,1924 0,0010360 377,1 1,1924
100 1,696 1,745 2676,5 7,3628 0,0010437 419,1 1,3068 0,0010436 419,2 1,3067
110 2696,7 7,1464 0,0010518 461,4 1,4184 0,0010518 461,4 1,4184
120 1,793 2716,8 2736,8 7,4681 0,0010606 503,7 1,5276 0,0010606 503,8 1,5275
130 1,841 7,5182 0,9104 2727,5 7,1803 0,0010700 546,3 1,6343
150 1,937 2776,4 7,6143 7,7927 0,9598 2769,0 7,2807 0,6340 2761,2 7,0790
190 2,125 2855,4 1,056 2850,3 7,4643 7,5073 0,7002 2845,0 7,2684
200 2,172 2875,2 7,8348 1,080 2870,4 0,7164 2865,6 2906,5 7,3123
220 2,266 2914,7 7,9166 1,128 2910,6 7,5905 0,7486 7,3970
250 2,406 2974,2 8,0337 1,199 2970,8 7,7091 0,7964 2967,5 7,5172
p = 500 кПа P = 1,0 МПа P = 2,0 МПа
ta = 151,85; h" = 2748,5; ts = 179,88; h" = 2777,0; ts = 212,37; h" = 2796,4;
v" = 0,37481; s" = = 6,8215 v" = 0,19430; s" = = 6,5847 v" = 0,09953; s" = = 6,3373
t V h s V h s V h _s
0 0,0010000 0,5 0,0001 0,0009997 1,0 0,0001 0,0009992 2,0 0,0000
10 0,0010000 42,5 0,1509 0,0009998 43,0 0,1509 0,0009993 43,9 0,1508
20 0,010015 84,3 0,2962 0,0010013 84,8 0,2961 0,0010008 85,7 0,2959
30 0,0010041 126,1 0,4364 0,010039 126,6 0,4362 0,0010034 127,5 0,4359
40 0,0010076 167,9 0,5719 0,0010074 168,3 0,5717 0,0010069 169,2 0,5713
50 0,0010119 209,7 0,7033 0,0010117 210,1 0,7030 0,0010112 211,0 0,7026
100 0,0010435 419,4 1,3066 0,0010432 419,7 1,3062 0,0010427 0,0010897 420,5 1,3054
150 0,0010908 632,2 1,8416 0,0010904 632,5 1,8410 633,1 1,8399
200 0,4249 2855,4 7,0603 0,2059 2827,5 6,6940 0,0011560 852,6 2,3300
250 0,4744 2960,7 7,2716 0,2327 2942,8 6,9256 0,1115 2902,5 6,5460
370 0,5890 3209,1 7,6991 0,2921 3200,2 7,3690 0,1436 3181,8 7,0278
P = 3,0 МПа P = 5,0 МПа P = 10,0 МПа
ts = 233,34; h" = 2801,9; ts = 263,92; h" - 2792,8; ts = 310; h" = 2724,4;
v" = 0,06662; s" = = 6,1832 v" = 0,03941; s" = = 5,9712 v" = 0,01800; s" = = 5,6143
t V h s V h s V h s
0 0,0009987 3,0 0,0001 0,0009977 5,1 0,0002 0,0009953 10,1 0,0005
10 0,0009988 44,9 0,1507 0,0009979 46,9 0,1505 0,0009956 51,7 0,1500
20 0,0010004 86,7 0,2957 0,0009995 88,6 0,2952 0,0009972 93,2 0,2942
30 0,0010030 128,4 170,1 0,4356 0,0010021 130,2 171,9 0,4350 0,0009999 134,7 0,4334
40 0,0010065 0,5709 0,001056 0,5702 0,0010034 176,3 0,5682
50 0,0010108 211,8 421,2 0,7021 0,0010099 213,6 0,7012 0,0010077 217,8 426,5 0,6989
100 0,0010422 1,3046 0,0010412 422,7 635,0 1,3030 0,010386 1,2992
150 0,0010890 633,7 1,8388 0,0010877 1,8366 0,010843 638,1 1,8312
200 0,0011550 853,0 2,3284 0,0011530 853,8 2,3253 0,0011480 855,9 2,3176
250 0,07058 2855,2 6,2867 0,012494 1085,8 2,7911 0,0012406 1085,9 2,7794
приложение **
t — з диаграмма для диоксида углерода
Удельная энтропия s, кДж/(кг К)
Приложения
00
Приложение 5
h — s диаграмма для водяного пара
Удельная энтальпия Л, кДж/кг
288 > ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложения Ф 289
290 -> ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложение 6
Т — з диаграмма для воздуха
Температура Т, К
s, кДж/(кг К)
t — s диаграмма для аммиака
Удельная энтропия s, кДж/(кг К)
Приложения Ф 291
Приложение 8
t — s диаграмма для фреона R-12
292 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложения Ф 293
Приложение 9
Теплоемкости газов (по С.Л. Ривкину)
t Ср C^J t Ср Си
°C кДжДкг-К) °C кДж/(кг-К)
Воздух Азот N2
-50 1,0019 0,7147 -50 1,0387 0,7419
-25 1,0023 0,7151 -25 1,0387 0,7419
0 1,0032 0,7159 0 1,0387 0,7419
25 1,0040 0,7168 25 1,0392 0,7423
50 1,0057 0,7184 50 1,0400 0,7432
75 1,0073 0,7201 75 1,0408 0,7440
100 1,0098 0,7226 100 1,0421 0,7444
125 1,0128 0,7256 0,7285 125 1,0438 0,7465
150 1,0157 150 1,0459 0,7490
175 1,0199 0,7327 175 1,0484 0,7515 0,7549
200 1,0241 0,7369 200 1,0517
250 1,0337 0,7465 250 1,0597 0,7628
КИСЛОРОД С>2 Диоксид углерода СО2
-50 0,9102 0,6502 -50 0,7612 0,5723
-25 0,9115 0,6515 -25 0,7896 0,6008
0 0,9136 0,6536 0 0,8173 0,6284
25 0,9169 0,6569 25 0,8436 0,6548
50 0,9215 0,6615 50 0,8688 0,6799
75 0,9265 0,6665 75 0,8926 0,7038
100 0,9328 0,6728 100 0,9156 0,7268
125 0,9399 0,6799 125 0,9374 0,7486
150 0,9473 0,6873 150 0,9575 0,7687
Приложение 10
Основные физические свойства некоторых газов (паров)
Название Формула Плот- ность, кг/м3 Моляр- ная масса, кг/кмоль Газовая по- стоянная, Дж/(кг-К) к — Ср / Си Темпера- тура кипе- ния °C Удельная теплота испарения, кДж/кг Критические точки
Темпера- тура, °C Давление (абсолют- ное), МПа
Азот n2 1,25 28 297 1,40 -195,8 199,4 -147,1 3,349
Аммиак NH3 0,77 17 488 1,29 -33,4 1374 132,4 11,15
Аргон Ar 1,78 39,9 209 1,66 -185,9 163 -122,4 4,800
Ацетилен С2Н2 1,171 26,0 320 1,24 -83,7 830 35,7 6,16
Бензол СвНб — 78,1 106 1Д 1,08 +80,2 394 288,5 4,77
Бутан С4Н10 2,673 58,1 143 -0,5 387 152 3,75
Воздух — 1,293 29,0 287 1,40 -195 197 -140,7 3,72
Водород н2 0,899 2,02 4130 1,407 -252,8 455 -239,9 1,280
Гелий Не 0,179 4,0 2080 1,66 -268,9 19,5 -268,0 0,226
Диоксид азота NO2 — 46,0 181 1,31 21,2 712 158,2 10,000
Диоксид серы SO2 2,93 64,1 130 1,25 -10,8 394 157,5 7,778
Диоксид углерода СО2 1,98 44,0 189 1,30 -78,2 574,0 31,1 7,29
Кислород о2 1,429 32 260 1,40 -183,0 213 -118,8 4,971
Метан СН4 0,72 16,0 519 1,31 -161,6 511 -82,15 4,56
Оксид углерода СО 1,25 28,0 297 1,40 -191,5 212 -140,2 3,453
Пентан С5О12 — 72,2 115 1,09 36,1 360 197,1 3,30
Пропан С3Н8 2,02 44,1 189 1,13 -42,1 427 95,6 4,3
Пропилен СзНв 1,91 42,1 198 1,17 -47,7 440 91,4 5,54
Сероводород H2S 1,54 34,1 244 1,30 -60,2 549 100,4 18,89
Хлор С12 3,22 70,9 117 1,36 -33,8 306 144,0 7,61
Хлористый метил CH3CI 2,3 50,5 165 1,28 -24,1 406 148 6,60
Этан С2Нв 1,36 30,1 277 1,2 -88,50 486 32,1 4,885
Этилен с2н4 1,26 28,1 297 1,2 -103,7 482 9,7 5,07
294 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложения Ф 295
Приложение 11
Термодинамические свойства некоторых чистых веществ
Соединение Состояние ^298? кДжДкмоль-К) Д£г298 ’10 3? кДж/кмоль ДЯ2°98 • 10~3, кДж/кмоль
СНзОН г 237,81 -162,02 -201,63
С2Н5ОН г 282,19 -168,72 -235,46
с2н4 г 219,59 68,169 52,318
СзНб г 267,11 20,427 62,760
С3Н8 г 270,09 -23,509 -103,91
СО г 198,03 -137,36 -110,59
С12 г 223,09 248,69 0 0
so2 г -300,57 -297,09
so3 г 256,39 -371,61 -395,44
с г 5,6978 0 0
HCN г 201,92 120,16 130,62
СО2 г 213,78 -394,64 -393,80
СОС12 г 289,43 -210,63 -223,15
12 г 260,75 19,384 62,282
HI г 206,46 1,2979 25,958
H2S г 205,78 -32,874 -20,159
Н2О г 188,85 -288,74 -242,02
NH3 г 192,63 -16,646 0 -46,222
н2 г 130,67 0
сн4 г 186,31 -50,827 -74,897
с2н2 г 200,95 209,34 226,86
no2 г 240,61 51,874 33,875
NO г 210,75 86,746 90,434
n2 г 191,62 0 0
о2 г 205,16 0 0
о г 160,697 37,704 249,327
н г 114,693 203,384 218,097
s2 г 227,660 0 0
Приложение 12
Теплоты образования, кДж/моль, некоторых неорганических веществ
в растворе с различным числом молей воды п
п NaCl КС1 СаС12 NH4C1 NH4NO3 (NH4)2SO4 MgCl2 ZnCl2 CuCl2 M11SO4
оо 406,28 417,99 873,2 298,3 340,9
400 406,26 873,0 1152,1 791,5 482,4 261,6 1092,3
200 406,30 873,0 1152,9 790,2 477,3 257,6 1091,9
100 406,50 418,02 872,3 297,84 342,01 1153,7 789,0 471,0 254,6 1091,2
50 406,91 418,73 871,8 297,88 342,97 1154,5 250,9
25 407,86 419,53 869,3 298,08 344,70 785,5 461,9 247,5 1090,1
10 409,20 862,5 300,2 346,8 1155,5 775,5 456,4 240,6
5 854,0 349,4 448,6
296 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложения Ф 297
Приложение 13
е — h диаграмма для воды и водяного пара
Энтальпия Л, кДж/кг
2100
2000
1900
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800 X
700
600 §•
500
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
Приложение 14
е — h диаграмма для воздуха
Эксергия е, кДж/кг
298 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИ
Приложения 299
SSSSSo £§
СО СЧ <—I г-1 1Г1 О *т
Приложение 15
е — h диаграмма для аммиака
160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600
1560 1600 1640 1680 1720 1760 1800 1840 1880 1920 1960
Энтальпия А, кДж/кг
Энтальпия Л, кДж/кг
300 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложения
801
Приложение 16
е — h диаграмма для диоксида углерода
802
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложение 17
е — h диаграмма для фреона R-12
Приложение 18
Химическая эксергия элементов относительно наиболее часто встречающихся на практике веществ отчета
Элемент Тип элемента (Y, Z)* Вещество отсчета Эксергия относительно соответствующего вещества отсчета, кДж/кмоль Элемент Тип элемен- та (Y,Z) Вещество отсчета Эксергия относи- тельно соответствую- щего вещества отсчета, кДж/кмоль
Ag Y AgCl 86503 Fe Y 1.Ре2Оз 368414
Al Y l.Al2O3 3H2O 790003 2. РезО4 335672
2.A12O3 788789 Ga Y Са20з 496536
3.Al2SiO5 855907 Ge Z GeO2 493480
Ar Y Ar 11682 Y 1. Н2Опресн 117697
As Y As20s 381561 Н 2. Н2Оморск 117738
Au Y Au 0 Не Y Не 30146
В Y H3BO3 610716 Hf Y HfCl4 677453
Ba Y l.BaCO3 722969 Hg Z l.HgCl2 132016
2. BaSO4 742983 2. HgO 16957
Be Y BeOAl2O3 594680 3. HgSO4 56608
Bi Y Bi2O3 245568 I Y I.IO3 92028
Br Y l.Br 45852 Y 2.КЮ3 60293
2.KBr 26964 In Z 1п20з 412718
C Z CO2 410828 Ir Y IrO2 184647
Ca Y СаСОз 712879 К Y KC1 352504
Cd Y CdCO3 254025 Kr Y Kr 34249
Cl Y NaCl 56106 La Y LaCl3-7H2O 983610
Co Y CO3O4 222960 Li Y LiCl 186740
Cr Y Сг20з 520863 Mg l.MgCl2-6H2O 584715
Cs Y CsCl 345680 2. MgCO3 613270
Cu Y l.CuCO3 101618 3. СаСОз MgCO3 618671
2. Cu2O 72268 l.MnO2 461575
F Y CaioPe024F2 ' 308247 Mn Y
Приложения 4е 303
Приложение 18 (окончание)
Элемент Тип элемента (Y, Z)* Вещество отсчета Эксергия относительно соответствующего вещества отсчета, кДж/кмоль Элемент Тип элемента (Y, Z) Вещество отсчета Эксергия относительно соответствующего вещества отсчета, кДж/кмоль
Мп Y 2. МпСОз 401408 Ru Y Ru 0
з.мпз04 1273350 S Y CaSO4 H2O 603221
Мо z МоОз 672181 Sb Z Sb20s 409991
N Y n2 335 Sc Z Sc2O2 907407
Na Y l.Na2SO4 328345 Se Z SeO2 167438
2. Na2SO4 10H2O 330940 Si Y SiO2 853352
Nd Y Nb2O5 878726 Sn Y SnO2 516090
Ne Y Ne 27090 Sr Y l.SrCO3 721713
Ni Y NiO 214500 2. SrSO4 724142
О Y o2 1968 Ta Y Та2Оз 951370
Os Z OsO4 297361 Те Z TeO2 266544
P Y Саз(РО4)2 866583 Ti Y TiO2 886220
Y 1.РЬС0з 210062 Ti Y T12O3 315658
2.PbSO4 200725 V Y V2O5 705384
Pd Y Pd 0 W Y l.CaWO4 818810
Pt Y Pt 0 2. FeWO4 708566
Rb Y RbCl 325160 Xe Y Xe 40250
Re Z 1. Re2O7 542510 Y Z Y(OH)3 933115
2.ReO3 508846 Zn Y ZnCO3 315155
3. ReO2 392615 Zr Y l.ZrSiO4 1059353
Rh Y Rh 0 2.ZrO2 1019367
* Элементы группы Y на практике получают из девальвированных веществ. Элементы группы Z на практике получают только из ценного (недеваль-
вированного сырья).
304 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Приложения ❖ 305
Приложение 19
Химическая эксергия наиболее часто встречающихся
сложных неорганических веществ
Вещество Эксергия, кДж/кмоль
А1С1з (t) 329 466
A12(SO4)3 (t) 313 150
ВаО (t) 199 845
СаО (t) 110 803
СаС12 (t) 76 992
со (t) 275 644
со2 (t) 20 405
Си2О (t) 59 182
FeO (t) 118 936
Fe(OH)3 (t) 30 773
НС1 (r) 78 504
H2S (r) 805 059
H2SO4 (ж) 156 386
HNO3 (ж) 43 143
KC1O3 (т) 118 701
MgO (т) 17 241
MgSO4 (т) 25 125
MnO (т) 100 623
NO (г) 88 870
no2 (г) 55 567
NH3 (г) 336 941
nh4oh (ж) 336 652
Na2CO3 (т) 28 928
PbO (т) 23 081
SO2 (г) 306 963
so3 (т) 240 138
ТЕСТОВЫЕ 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 1 307
1) Дж/(Ккг); 2) Дж; 3) Вт; 4) Дж/К; 5) Дж/м3.
Правильный ответ — 3.
1.5. В каких видах может передаваться энергия от одного рабочего тела к дру-
гому?
1) только в виде теплоты; 2) только в виде работы;
3) в виде работы и теплоты; 4) в виде работы и эксергии;
5) в виде теплоты и эксергии.
Правильный ответ — 3.
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
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Вопросы
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) отношение массы перегретого пара к массе насыщенной жидкости;
2) отношение массы насыщенного пара к массе влажного пара;
3) отношение массы насыщенного пара к массе насыщенной жидкости;
4) отношение массы влажного пара к массе насыщенного пара;
5) отношение массы перегретого пара к массе насыщенного пара.
Правильный ответ — 2.
1.11. Первый закон термодинамики для рабочего тела, находящегося в относи-
тельном покое, выражается уравнением:
1) Sq = du + dh', 2) SI = pdv; 3) pdv = d(vp) — vdp;
4) SI = d(yp); 5) Sq = du -I- dl.
Правильный ответ — 5.
1.12. Что такое работа расширения (или сжатия)?
1) работа, совершаемая за счет изменения давления;
2) работа, совершаемая за счет изменения объема;
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 — 2.
1.13. Что такое работа проталкивания?
1) работа, совершаемая за счет изменения давления;
2) работа, совершаемая за счет изменения объема;
Раздел 1 •v" 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) работа, совершаемая за счет изменения давления;
2) работа, совершаемая за счет изменения объема;
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 — 1.
1.15. Первый закон термодинамики в общем виде для потока вещества выра-
жается с помощью уравнения:
1) 8q = du + dl',
2) 8q = w dw + gdz + dh + <5ZMex + «^тр!
3) 8q = dh — v dp',
4) 8q = wdw + gdz + du + <5/тех + <^тР;
5) <5<?вн = wdw + gdz + dh + dl-^ + 61-^.
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 -О- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА < Вопросы
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. Как может измениться температура вещества при его дросселировании?
1) только уменьшиться;
2) только увеличиться;
3) только остаться постоянной;
4) увеличиться, уменьшиться, остаться постоянной;
5) в процессе дросселирования рассматривается только изменение давле-
ния вещества.
Правильный ответ — 4.
1.20. Что такое дроссель-эффект?
1) отношение изменения температуры реального газа при его дросселиро-
вании к изменению давления в этом процессе;
2) отношение изменения давления идеального газа при его дросселирова-
нии к изменению температуры данного газа;
3) отношение изменения температуры идеального газа при его дроссели-
ровании к изменению давления в этом процессе;
4) отношение изменения давления реального газа при его дросселировании
к изменению температуры данного газа;
5) отношение изменения давления реального газа при его дросселировании
к изменению внутренней энергии данного газа.
Правильный ответ — 1.
РАЗДЕЛ 2
2.1. Зависит ли энергия термодинамической системы от параметров окружаю-
щей среды?
1) да, всегда зависит;
2) нет, никогда не зависит;
3) зависит при температуре большей, чем температура окружающей среды;
4) зависит при ряде ограничений;
Раздел 2 Ф 311
5) зависит при температуре меньшей, чем температура окружающей среды.
Правильный ответ — 2
2.2. Зависит ли эксергия системы от параметров окружающей среды?
1) да, всегда зависит;
2) нет, никогда не зависит;
3) зависит при температуре большей, чем температура окружающей среды;
4) зависит при ряде ограничений;
5) зависит при температуре меньшей, чем температура окружающей среды.
Правильный ответ - 1
2.3. Может ли энергия системы быть равной нулю?
1) да, при равновесии с окружающей средой;
2) нет, ни при каких условиях;
3) да, только в обратимых процессах;
4) да, всегда;
5) да, при температуре меньшей температуры окружающей среды.
Правильный ответ — 2
2.4. Может ли эксергия системы быть равной нулю?
1) да, при равновесии с окружающей средой;
2) нет, ни при каких условиях;
3) да, только в обратимых процессах;
4) да, всегда;
5) да, при температуре меньшей температуры окружающей среды.
Правильный ответ — 1
2.5. Подчиняется ли закону сохранения энергия системы?
1) да, при равновесии с окружающей средой;
2) нет, ни при каких условиях;
3) да, только в обратимых процессах;
4) да, всегда;
5) да, при температуре меньшей температуры окружающей среды.
Правильный ответ — 4
2.6. Подчиняется ли закону сохранения эксергия системы?
1) да, при равновесии с окружающей средой;
2) нет, ни при каких условиях;
3) да, только в обратимых процессах;
4) да, всегда;
5) да, при температуре меньшей температуры окружающей среды.
312 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Вопросы
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 механической;
4) из механической, реакционной и концентрационной;
5) из термической, механической и реакционной.
Правильный ответ — 1
2.9. В каких случаях эксергия не отличается от энергии?
1) когда отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой;
2) для энергий, характеризуемых энтропией;
3) когда нет никаких взаимодействий с окружающей средой;
4) эксергия отличается от энергии всегда;
5) для энергий, не характеризуемых энтропией.
Правильный ответ — 5
2.10. В чем причины потерь эксергии в теплообменных аппаратах?
1) только из-за потерь теплоты в окружающую среду;
2) только из-за гидравлических потерь;
3) только из-за теплообмена при конечной разности температур;
4) из-за потерь теплоты в окружающую среду, из-за гидравлических потерь;
из-за теплообмена при конечной разности температур;
5) из-за потерь теплоты в окружающую среду и из-за теплообмена при
конечной разности температур.
Правильный ответ — 4
2.11. При каких условиях эксергетический КПД теплообменника равен 100%?
Раздел 2 •v- 313
1) при отсутствии тепловых потерь;
2) при отсутствии тепловых и гидавлических потерь;
3) эксергетический КПД теплообменника всегда меньше 100%;
4) при отсутствии гидравлических потерь;
5) в теплообменниках с непосредственным контактом теплоносителей.
Правильный ответ — 3
2.12. При каких условиях не происходит потерь эксергии при смешении ве-
ществ?
1) если смешение производят при температуре и давлении окружающей
среды;
2) если нет взаимодействия смешиваемых веществ с окружающей средой;
3) при полном равновесии системы с окружающей средой;
4) при любых условиях эксергия системы уменьшится;
5) если при смешении система проходит через равновесные состояния.
Правильный ответ — 4
2.13. От чего зависит эксергия теплоты?
1) от температур окружающей среды и системы;
2) от температуры системы и количества теплоты;
3) от количества теплоты и температуры окружающей среды;
4) от температур окружающей среды и системы и от количества теплоты;
5) от температур окружающей среды и системы, от количества теплоты и от
затрачиваемой работы на перекачивание теплоносителя.
Правильный ответ — 4
2.14. Почему эксергия теплоты более универсальная функция, чем теплота?
1) потому что она учитывает температуру системы и количество теплоты;
2) потому что она учитывает температуры окружающей среды и системы и
количество теплоты;
3) потому что она учитывает температуры окружающей среды и системы;
4) потому что она учитывает количество теплоты и температуру окружаю-
щей среды;
5) потому что она учитывает температуры окружающей среды и системы,
количества теплоты и затрачиваемую работу на перекачивание теплоно-
сителя.
Правильный ответ — 2
2.15. Эксергетическая температурная функция:
314 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА 4- Вопросы
/Т! /Т! /Т! ГТ1 ГТ1
2>Т^-
4) 5) ЦДе.
J-OC J-
Правильный ответ — 5
2.16. Потери эксергии при идеальном адиабатном расширении веществ?
1) всегда равны нулю;
2) всегда больше нуля;
3) равны нулю только в том случае, если система приходит к равновесию
с окружающей средой;
4) равны нулю только в том случае, если в процессе нет взаимодействия с
окружающей средой.
5) равны нулю только в том случае, если в процессе нет взаимодействия
с окружающей средой и система приходит к равновесию с окружающей
средой;
Правильный ответ — 1
2.17. Потери эксергии при дросселировании?
1) всегда равны нулю;
2) всегда больше нуля;
3) равны нулю только в том случае, если система приходит к равновесию
с окружающей средой;
4) равны нулю только в том случае, если в процессе нет взаимодействия с
окружающей средой;
5) равны нулю только в том случае, если в процессе нет взаимодействия
с окружающей средой и система приходит к равновесию с окружающей
средой.
Правильный ответ — 2
2.18. Что такое внутренние потери эксергии?
1) это потери эксергии, связанные с гидравлическими сопротивлениями,
тепло- и массообменом при конечных разностях температур и концен-
траций;
2) это потери эксергии, связанные с гидравлическими сопротивлениями,
тепло- и массообменом при конечных разностях температур и концен-
траций, потери теплоты через тепловую изоляцию;
3) это потери эксергии, связанные с гидравлическими сопротивлениями,
тепло- и массообменом при конечных разностях температур и концен-
траций, потери теплоты с выходящими из системы потоками;
4) это потери эксергии, связанные, с тепло- и массообменом при конечных
разностях температур и концентраций;
Раздел 3 4- 315
5) это потери эксергии, связанные с гидравлическими сопротивлениями,
потери теплоты через тепловую изоляцию.
Правильный ответ — 1
2.19. Эксергия вещества в потоке:
1) е — h hoc — ^ос)> 2) е — u и©с ~T[s ^ос)>
3) е — h hoc ^(s ^ос)? е — и Uoc — /ioc),
5) е — и Uoc Toc(s $ос) Рос (и Uoc).
Правильный ответ — 3
2.20. Что относится к видам эксергии?
1) эксергия потока вещества в замкнутом объеме, эксергия потока веще-
ства, эксергия потока теплоты, эксергия потока излучения, термическая
эксергия;
2) эксергия потока вещества в замкнутом объеме, эксергия потока веще-
ства, эксергия потока теплоты;
3) эксергия потока вещества в замкнутом объеме, эксергия потока веще-
ства, эксергия потока теплоты, термомеханическая эксергия;
4) эксергия потока вещества, эксергия потока теплоты, эксергия потока
излучения;
5) эксергия потока вещества в замкнутом объеме, эксергия потока веще-
ства, эксергия потока теплоты, эксергия потока излучения.
Правильный ответ — 5
РАЗДЕЛ 3
3.1. За счет чего можно сжимать газ в компрессорах?
1) только за счет уменьшения объема рабочей камеры;
2) только за счет динамического воздействия на непрерывный поток сжи-
маемого газа;
3) за счет изменения направления движения газа;
4) только за счет уменьшения скорости движения потока.
5) и за счет уменьшения объема, и за счет динамического воздействия на
непрерывный поток сжимаемого газа
Правильный ответ — 5
3.2. Какими аппаратами, кроме компрессора, должны оснащаться компрессор-
ные станции?
1) фильтрами, дросселями, охладителями, ресивером;
2) аппаратами для очистки и осушки воздуха, промежуточными и конце-
выми охладителями воздуха, воздухосборниками;
316
4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Вопросы
3) аппаратами для очистки воздуха, промежуточными охладителями,
масло- и брызгоуловителями, воздухосборниками;
4) фильтрами, масло- и брызго-отделителями, концевыми охладителями;
5) испарителями, охладителями, масло- и брызго-отделителями, ресиве-
ром.
Правильный ответ — 2
3.3. От чего зависит мощность на валу компрессора?
»г т1
=--------,
»?7Г»?мех
где т — массовый расход газа, подаваемого компрессором в сеть, кг/с;
I — удельная работа компрессора на 1 кг газа, Дж/кг;
г) — относительный внутренний термодинамический КПД;
?/мех — механический КПД;
7у — коэффициент производительности.
«г ml
,
ЛЛмех
где т — массовый расход сжимаемого газа, кг/с;
I - удельная работа компрессора, Дж/кг;
т/мех — механический КПД;
ml
=-----------,
^7У/7мех^нап
где m — массовый расход газа, подаваемого компрессором в сеть,кг/с;
I - удельная работа компрессора, Дж/кг;
7/ — относительный термодинамический КПД;
»?мех — механический КПД;
7у — коэффициент объемного заполнения.
»r ml
Ng =----------,
у7мех7У/7нап
где т — массовый расход сжимаемого газа, кг/с;
I — удельная работа компрессора, Дж/кг;
7v — коэффициент объемного заполнения;
»?мех ~ механический КПД.
ml
=---------->
^мех7^7/нап
где т — массовый расход газа, подаваемого компрессором в сеть, кг/с;
I — удельная работа компрессора на 1 кг газа, Дж/кг;
т? — относительный внутренний термодинамический КПД;
»7мех — механический КПД;
7v — коэффициент объемного наполнения.
Правильный ответ — 1
1)
2)
3)
4)
5)
3.4. Как изменяется температура газа в хорошо охлаждаемом компрессоре?
1) увеличивается;
Раздел 3 317
2) уменьшается;
3) не изменяется;
4) может как увеличиваться, так и уменьшаться;
5) может как уменьшаться, так и оставаться постоянной.
Правильный ответ — 3
3.5. Как изменяется температура газа в неохлаждаемом компрессоре?
1) увеличивается;
2) уменьшается;
3) не изменяется;
4) может как увеличиваться, так и уменьшаться;
5) может как увеличиваться, так и не изменяться.
Правильный ответ — 1
3.6. Затраты на получение сжатого газа:
1) в охлаждаемом компрессоре больше, чем в неохлаждаемом;
2) в охлаждаемом компрессоре меньше, чем в неохлаждаемом;
3) затраты энергии одинаковы;
4) зависят от вида охлаждения;
5) зависят только от способа сжатия газа.
Правильный ответ — 2
3.7. Чему может быть равно максимальное отношение давлений (степень сжа-
тия газа) в одноступенчатом компрессоре?
1) £ < 3; 2) р > 4...8; 3) 0 < оо; 4) 0 > 3; 5) 0 6...8.
Правильный ответ — 5
3.8. По каким причинам ограничено отношение давлений (степень сжатия газа)
в одноступенчатом компрессоре?
1) только из-за невозможности применения мощных приводов;
2) только из-за невозможности достаточного охлаждения газа при сжатии;
3) только из-за снижения коэффициента заполнения газом рабочего объ-
ема компрессора ниже допустимого;
4) из-за чрезмерного повышения температуры газа и снижения коэффици-
ента заполнения газом рабочего объема компрессора ниже допустимого;
5) в некоторых типах компрессоров отношение давлений не ограничено.
Правильный ответ — 4
3.9. Обязательно ли наличие промежуточных холодильников во многоступен-
чатых компрессорах?
1) не обязательно;
318
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Вопросы
2) необходимость промежуточных холодильников определяется принци-
пом сжатия газа;
3) обязательно, хотя бы после нескольких ступеней;
4) необходимость промежуточных холодильников зависит от конструктив-
ных особенностей компрессора;
5) многоступенчатое сжатие и промежуточные холодильники — понятия
не совместимые.
Правильный ответ — 3
3.10. Какова зависимость между атмосферным давлением, вакуумом и остаточ-
ным давлением в системе?
1) -Рвак Рост; 2) Рост = Ратм ~ Рвак;
3) Рост — Рвак — Ратм; 4) Рост = Рвак/Ратм;
5) зависимость не описывается формулой.
Правильный ответ — 2
3.11. Из чего складывается работа компрессора?
1) из работы на всасывание газа, его сжатие, выталкивание и работы,
получаемой при расширении газа, оставшегося в мертвом пространстве;
2) из работы на всасывание газа, его сжатие и выталкивание;
3) из работы на сжатие газа, его выталкивание и работы, получаемой при
расширении газа, оставшегося в мертвом пространстве;
4) из работы на сжатие газа и его выталкивание;
5) из работы на сжатие газа.
Правильный ответ — 2
3.12. Работа адиабатного компрессора равняется?
О ------Plvl
К
3)
*
Pi)
Р2\ к
Р1/
2) к(к - l)pi vi
к
4)
рЛ к
Pi)
Р2 \ к~Х
P1J
5) к(к — l)pivi ( — ) — 1 ;
\PiJ
Правильный ответ — 3
3.13. Почему необходимо устанавливать конденсатор паров перед механиче-
ским вакуум-насосом?
1) только для того, чтобы пары не конденсировались в вакуум-насосе;
Раздел 3 319
2) только для того, чтобы вакуум-насос не потреблял мощность на сжатие
паров;
3) чтобы пары не конденсировались в вакуум-насосе и чтобы вакуум-насос
не потреблял мощность на сжатие паров;
4) только для того, чтобы вакуум-насос не перегревался;
5) чтобы пары не конденсировались в вакуум-насосе, чтобы вакуум-насос
не потреблял мощность на сжатие паров и чтобы вакуум-насос не пере-
гревался.
Правильный ответ — 3
3.14. Почему необходимы промежуточные конденсаторы в многоступенчатых
пароэжекторных вакуум-насосах?
1) только для того, чтобы создать более глубокий вакуум;
2) только для того, чтобы уменьшить габариты эжекторов;
3) только для того, чтобы уменьшить потребление рабочего пара;
4) чтобы уменьшить габариты эжекторов и уменьшить потребление рабо-
чего пара;
5) чтобы уменьшить габариты эжекторов, уменьшить потребление рабочего
пара и создать более глубокий вакуум.
Правильный ответ — 4
3.15. К компрессорам объемного принципа действия относятся:
1) поршневые, осевые, винтовые компрессоры;
2) поршневые, пластинчатые, жидкостно-кольцевые, шестеренчатые, вин-
товые и компрессоры с катящимся ротором;
3) поршневые, винтовые, шестеренчатые;
4) жидкостно-кольцевые, с катящимся ротором, центробежные и осевые
компрессоры;
5) центробежные, осевые, винтовые.
Правильный ответ — 2
3.16. К компрессорам динамического действия относятся:
1) осевые, винтовые компрессоры;
2) пластинчатые, шестеренчатые, винтовые и компрессоры с катящимся
ротором;
3) центробежные, винтовые, шестеренчатые;
4) жидкостно-кольцевые, с катящимся ротором, центробежные и осевые
компрессоры;
5) центробежные, осевые.
Правильный ответ — 5
3.17. В вакуумной технике принято поток газа выражать:
320 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Вопросы
1) произведением объемного расхода на постоянную Больцмана;
2) произведением числа молекул, проходящих через сечение канала в еди-
ницу времени, на постоянную Больцмана;
3) числом молекул, проходящих через сечение канала в единицу времени;
4) произведением давления в данном сечении канала на объемный расход
газа в нем;
5) объемным расходом газа в данном сечении канала.
Правильный ответ — 4
3.18. Форвакуумный насос необходим:
1) для создания предварительного разряжения при запуске рассматривае-
мого насоса;
2) для приведения в соответствие выпускного давления высоковакуумного
насоса с впускным давлением насоса предварительного разряжения;
3) для поддержания необходимого давления в выходном сечении рассмат-
риваемого насоса высокого вакуума;
4) для удаления газов, попадающих в систему за счет натекания и за счет
газовыделения;
5) для увеличения быстроты откачки объекта.
Правильный ответ — 3
3.19. Потребляемая мощность на валу сухого вакуумного насоса максимальна:
1) При Рвып/Рвн = 10,
где рвып — давление выпуска газа из вакуумного насоса, рвн — давление
на входе в вакуумный насос;
2) при Рвып/Рвн = 3,3, где обозначения как в 1);
3) при Рвып/Рвн = 2,5, где обозначения как в 1);
3) в момент запуска вакуумного насоса;
4) при достижении минимального остаточного давления.
Правильный ответ — 2
3.20. Что называется детандером?
1) машина, предназначенная для понижения температуры рабочего тела
при расширении его с отдачей внешней работы;
2) разновидность дросселя для понижения температуры рабочего тела;
3) машина, в которой происходит только понижение температуры рабочего
тела;
4) машина для увеличения давления рабочего тела и изменения его темпе-
ратуры;
5) аппарат, в котором происходит расширение рабочего тела.
Правильный ответ — 1.
Раздел 4 4- 321
РАЗДЕЛ 4
4.1. Какие процессы составляют идеальный прямой цикл?
1) адиабатные сжатие и расширение, изобарные нагревание и охлаждение;
2) адиабатные сжатие и расширение, изотермные сжатие и расширение;
3) изотермные сжатие и расширение, изохорные нагревание и охлаждение;
4) изобарные нагревание и охлаждение, изотермные сжатие и расширение;
5) адиабатные сжатие и расширение, изохорные нагревание и охлаждение.
Правильный ответ — 2
4.2. Какие процессы составляют идеальный обратный цикл?
1) адиабатные сжатие и расширение, изобарные нагревание и охлаждение;
2) адиабатные сжатие и расширение изотермные сжатие и расширение;
3) изотермные сжатие и расширение, изохорные нагревание и охлаждение;
4) изобарные нагревание и охлаждение, изотермные сжатие и расширение;
5) адиабатные сжатие и расширение, изохорные нагревание и охлаждение.
Правильный ответ — 2
4.3. Какие процессы составляют идеальный цикл теплонасосной установки?
1) адиабатные сжатие и расширение, изобарные нагревание и охлаждение;
2) адиабатные сжатие и расширение, изотермные сжатие и расширение;
3) изотермные сжатие и расширение, изохорные нагревание и охлаждение;
4) изобарные нагревание и охлаждение, изотермные сжатие и расширение;
5) адиабатные сжатие и расширение, изохорные нагревание и охлаждение.
Правильный ответ — 2
4.4. Какие процессы составляют идеальный цикл совместного получения теп-
лоты и холода?
1) адиабатные сжатие и расширение, изобарные нагревание и охлаждение;
2) адиабатные сжатие и расширение, изотермные сжатие и расширение;
3) изотермные сжатие и расширение, изохорные нагревание и охлаждение;
4) изобарные нагревание и охлаждение, изотермные сжатие и расширение;
5) адиабатные сжатие и расширение, изохорные нагревание и охлаждение.
Правильный ответ — 2
4.5. Что такое термодинамический КПД прямого цикла?
1) отношение работы цикла к подводимой теплоте в цикле;
2) отношение теплоты, отводимой и подводимой в цикле, к работе цикла;
3) отношение подводимой теплоты в цикле к работе цикла;
4) отношение теплоты, отводимой от цикла, к работе цикла;
5) отношение работы цикла к теплоте, подводимой и отводимой в цикле.
11-4675
322 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Вопросы
Правильный ответ — 1
4.6. Что такое термодинамический КПД обратного холодильного цикла?
1) отношение работы цикла к проводимой теплоте в цикле;
2) отношение теплоты, отводимой и подводимой в цикле к работе цикла;
3) отношение подводимой теплоты в цикле к работе цикла;
4) отношение теплоты, отводимой от цикла к работе цикла;
5) отношение работы цикла к теплоте, подводимой и отводимой в цикле.
Правильный ответ — 3
4.7. Что такое эффективность цикла совместного получения теплоты и холода?
1) отношение работы цикла к проводимой теплоте в цикле;
2) отношение теплоты, отводимой и подводимой в цикле к работе цикла;
3) отношение подводимой теплоты в цикле к работе цикла;
4) отношение теплоты, отводимой от цикла к работе цикла.
5) отношение работы цикла к теплоте, подводимой и отводимой в цикле.
Правильный ответ — 2
4.8. Что такое коэффициент преобразования теплового насоса?
1) отношение работы цикла к подводимой теплоте в цикле;
2) отношение теплоты, отводимой и подводимой в цикле к работе цикла;
3) отношение подводимой теплоты в цикле к работе цикла;
4) отношение теплоты, отводимой от цикла к работе цикла;
5) отношение работы цикла к теплоте, подводимой и отводимой в цикле.
Правильный ответ — 4
4.9. Что такое хладопроизводительность холодильного цикла?
1) количество теплоты, подведенной к циклу;
2) количество теплоты, отведенной от цикла;
3) количество работы, подведенной к циклу;
4) количество работы, отведенной от цикла;
5) разница между количеством теплоты, подведенной к циклу и количе-
ством теплоты, отведенной от цикла.
Правильный ответ — 1
4.10. Температурный уровень криогенных установок?
1)Г^120К; 2) Т < Тос; 3)Т<0°С;
4)Г<-100°С; 5)Т<100К.
Правильный ответ — 1
4.11. Температурный уровень холодильных установок?
Раздел 4 Ф 323
1)Т^120К; 2)Т<Т0С; 3) 120К < Т < Тж;
4) —50°С < Т < Тос; 5) Т < 0°С.
Правильный ответ — 3
4.12. Из каких процессов состоит цикл реальной парокомпрессионной холо-
дильной установки?
1) адиабатные сжатие и расширение, изотермные сжатие и расширение;
2) адиабатное сжатие, изобарное охлаждение, изотермное сжатие, дроссе-
лирование, изотермное расширение;
3) адиабатное сжатие, изотермное сжатие, дросселирование, изотермное
расширение;
4) изобарные нагревание и охлаждение, адиабатные сжатие и расширение;
5) адиабатное сжатие, изобарное охлаждение, изотермное сжатие, адиабат-
ное расширение, изотермное расширение.
Правильный ответ — 2
4.13. Что называется хладагентами?
1) вещества, используемые для отвода теплоты от охлаждаемых объектов
и передачи к холодильному циклу;
2) вещества, которые охлаждаются в технологических процессах;
3) вещества, применяемые в качестве рабочего тела, для конденсации па-
ров в холодильных установках;
4) вещества, применяемые в качестве рабочего тела, для осуществления
холодильных циклов;
5) вещества, применяемые для понижения температуры рабочего тела хо-
лодильного цикла.
Правильный ответ — 4
4.14. Что называется хладоносителями?
1) вещества, циркулирующие между испарителем холодильной установки
и потребителями холода;
2) вещества, которые охлаждаются в технологических процессах;
3) вещества, применяемые в качестве рабочего тела, для конденсации па-
ров в холодильных установках;
4) вещества, применяемые в качестве рабочего тела, для осуществления
холодильных циклов;
5) вещества, применяемые для понижения температуры рабочего тела хо-
лодильного цикла.
Правильный ответ — 1
4.15. Как изменится экономичность парокомпрессионной холодильной маши-
ны, если повысить температуру испарения хладагента?
324 -О ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Вопросы
1) не изменится;
2) увеличится;
3) уменьшится;
4) температура испарения хладагента не влияет на экономичность паро-
компрессионной холодильной машины;
5) влияние температуры испарения хладагента на экономичность пароком-
прессионной холодильной машины зависит от ее типа.
Правильный ответ — 2
4.16. Как изменится экономичность парокомпрессионной холодильной маши-
ны, если снизить температуру конденсации хладагента?
1) не изменится;
2) увеличится;
3) уменьшится;
4) температура конденсации хладагента не влияет на экономичность паро-
компрессионной холодильной машины;
5) влияние температуры конденсации хладагента на экономичность паро-
компрессионной холодильной машины зависит от ее типа.
Правильный ответ — 2
4.17. Как изменится экономичность парокомпрессионной холодильной маши-
ны, если переохладить конденсат хладагента?
1) увеличится;
2) не изменится;
3) уменьшится;
4) переохлаждение конденсата не влияет на экономичность парокомпрес-
сионной холодильной машины;
5) влияние переохлаждения хладагента на экономичность парокомпресси-
онной холодильной машины зависит от ее типа.
Правильный ответ — 1
4.18. Разрешается ли один и тот же аппарат последовательно охлаждать водой
и хладоносителем?
1) не разрешается ни при каких условиях;
2) разрешается при соблюдении ряда правил;
3) разрешается;
4) не разрешается в некоторых установках;
5) способ охлаждения аппарата зависит только от температур.
Правильный ответ — 1
4.19. Что такое теплонасосная установка?
Раздел 4 325
1) установка для перекачивания теплоносителя;
2) установка для повышения температуры теплоносителя путем его сжатия;
3) установка, предназначенная для переноса энергии в форме теплоты от
более низкого к более высокому температурному уровню;
4) установка, позволяющая передать энергию в форме теплоты от объекта
с одной температурой к объекту с другой температурой;
5) установка, в которой теплоноситель нагревается за счет внешних объек-
тов и передается потребителю.
Правильный ответ — 3
4.20. Из каких элементов состоит теплонасосная установка, работающая по
замкнутому циклу?
1) из испарителя, компрессора, конденсатора и дроссель-вентиля;
2) из испарителя, компрессора и насоса;
3) из компрессора, конденсатора и дроссель-вентиля; ‘
4) из компрессора, конденсатора и испарителя;
5) из испарителя, конденсатора, дроссель-вентиля и насоса.
Правильный ответ — 1
4.21. Эксергетический КПД прямого цикла — это:
1) отношение работы цикла к эксергии теплоты, подводимой к циклу;
2) отношение суммы эксергий теплот, отводимой от цикла и подводимой
к циклу, к работе цикла;
3) отношение эксергии теплоты, подводимой к циклу, к работе цикла;
4) отношение эксергии теплоты, отводимой от цикла, к работе цикла;
5) отношение работы цикла к эксергии теплоты, отводимой от цикла.
Правильный ответ — 1
4.22. Эксергетический КПД обратного холодильного цикла:
1) отношение работы цикла к эксергии теплоты, подводимой к циклу;
2) отношение суммы эксергий теплот, отводимой от цикла и подводимой
к циклу, к работе цикла;
3) отношение эксергии теплоты, подводимой к циклу, к работе цикла;
4) отношение эксергии теплоты, отводимой от цикла, к работе цикла;
5) отношение работы цикла к эксергии теплоты, отводимой от цикла.
Правильный ответ — 3
4.23. Эксергетический КПД теплового насоса:
1) отношение работы цикла к эксергии теплоты, подводимой к циклу;
2) отношение суммы эксергий теплот, отводимой от цикла и подводимой
к циклу, к работе цикла;
326 -Ф- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Ф- Вопросы
3) отношение эксергии теплоты, подводимой к циклу, к работе цикла;
4) отношение работы цикла к эксергии теплоты, отводимой от цикла;
5) отношение эксергии теплоты, отводимой от цикла, к работе цикла.
Правильный ответ — 5
4.24. Эксергетический КПД цикла совместного получения теплоты и холода:
1) отношение работы цикла к эксергии теплоты, подводимой к циклу;
2) отношение суммы эксергий теплот, отводимой от цикла и подводимой
к циклу, к работе цикла;
3) отношение эксергии теплоты, подводимой к циклу, к работе цикла;
4) отношение эксергии теплоты, отводимой от цикла, к работе цикла;
5) отношение работы цикла к эксергии теплоты, отводимой от цикла.
Правильный ответ — 2
РАЗДЕЛ 5
5.1. Что называется горючей частью топлива?
1) органическая часть топлива, состоящая из С, Н, S;
2) органическая часть топлива, состоящая из С, Н, S, N;
3) вся органическая часть топлива;
4) такого понятия не существует, так как топливо всегда сжигается;
5) все химические элементы топлива, которые окисляются кислородом.
Правильный ответ — 1 4
5.2. Что называется балластом топлива? -
1) минеральные примеси;
2) минеральные примеси и вода;
3) азот, кислород и минеральные примеси;
4) азот, минеральные примеси и вода;
5) азот, кислород, минеральные примеси и вода;
Правильный ответ — 5
5.3. Что называется рабочей массой топлива?
1) горючая масса топлива является рабочей массой;
2) органическая часть топлива, состоящая из С, Н, S;
3) сумма горючей массы и балласта;
4) вся органическая часть топлива;
5) все химические элементы топлива, которые окисляются кислородом.
Правильный ответ — 3
5.4. Что называется зольностью топлива?
Раздел 5 4- 327
1) все химические элементы топлива, которые не окисляются кислородом;
2) массовая доля несгоревшего остатка, который при оплавлении дает
шлак;
3) минеральные примеси;
4) балласт топлива после его сжигания;
5) оставшаяся после сгорания топлива зола.
Правильный ответ — 2
5.5. Что называется -летучими веществами топлива?
1) смесь горючих газов, которые выделяются из массы твердого топлива
при его нагревании от 110 до 1100 °C без доступа воздуха;
2) смесь негорючих газов, которые выделяются из массы твердого топлива
при его нагревании от 110 до 1100 °C без доступа воздуха;
3) смесь горючих и негорючих газов, которые выделяются из массы твер-
дого топлива при его нагревании от Тос ДО 1100 °C без доступа воздуха;
4) смесь горючих и негодрчих газов, которые выделяются из массы твер-
дого топлива при его нагревании от 110 до 1100 °C без доступа воздуха;
5) смесь горючих газов, которые выделяются из массы твердого топлива
при его нагревании от Тос до 1100 °C без доступа воздуха.
Правильный ответ — 4
5.6. Что называется высшей теплотой сгорания топлива?
1) количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива с учетом теп-
лоты конденсации водяных паров, образующихся при испарении влаги
топлива;
2) количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива с учетом теп-
лоты конденсации водяных паров, образующихся при сгорании водоро-
да;
3) количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива без учета
теплоты конденсации водяных паров, образующихся при сгорании во-
дорода и испарении влаги топлива;
4) количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива с учетом теп-
лоты конденсации водяных паров, образующихся при сгорании водоро-
да и испарении влаги топлива;
5) количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива при темпера-
туре 3000 °C.
Правильный ответ — 4
5.7. Что подразумевается под понятием «условное топливо»?
1) топливо с принятой теплотой сгорания;
2) топливо с принятым составом;
3) топливо с принятыми продуктами сгорания;
328
❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Вопросы
4) топливо с принятой зольностью, влажностью и выделяющимися лету-
чими веществами;
5) топливо с принятой теплотой сгорания и с принятыми продуктами сго-
рания.
Правильный ответ — 1
5.8. Что такое коэффициент избытка воздуха?
1) отношение количества воздуха, подаваемого в топку, к количеству со-
держащегося в нем кислорода;
2) отношение неиспользованного количества воздуха ко всему количеству
воздуха, подаваемому в топку;
3) отношение действительного количества воздуха, подаваемого в топку,
к теоретически необходимому для сгорания топлива;
4) отношение количества азота и других газов, содержащихся в воздухе,
к количеству содержащегося в нем кислорода;
5) стехиометрическое соотношение окисляемых элементов топлива и кис-
лорода воздуха.
Правильный ответ — 3
5.9. Что такое эксергия топлива?
1) суммарная химическая эксергия компонентов топлива;
2) суммарная химическая эксергия компонентов топлива и эксергия теп-
лоты, выделяющейся при сгорании топлива;
3) эксергия теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, и реакционная
эксергия компонентов топлива;
4) эксергия теплоты, которая может быть получена при максимальной
температуре горения топлива, и концентрационная эксергия продуктов
сгорания топлива;
5) реакционная эксергия компонентов топлива.
Правильный ответ — 1
5.10. Что называется теплогенераторами?
1) установки, в которых вырабатывается теплота;
2) аппараты для нагрева реакционой массы;
3) установки, в которых происходит нагрев жидких теплоносителей и их
испарение;
4) установки для получения теплоносителя в виде пара;
5) установки, в которых происходит нагрев жидких теплоносителей без их
испарения;
Правильный ответ — 5
5.11. Что называется печами?
Раздел 5 329
1) устройства, предназначенные для получения продукта с необходимыми
физико-химическими свойствами путем обработки исходных материа-
лов при высоких температурах;
2) устройства, предназначенные для получения продукта или полупродук-
та с необходимыми физико-химическими свойствами путем обработки
исходных материалов при высоких температурах;
3) устройства,’ в которых сжигается топливо и которые предназначены для
получения продукта или полупродукта с необходимыми физико-хими-
ческими свойствами;
4) устройства, в которых поддерживается температура более 1000° С;
5) устройства, в которых происходит непосредственный контакт горячих
продуктов сгорания топлива с обрабатываемыми объектами.
Правильный ответ — 2
5.12. Что такое ТЭЦ?
1) центральный пункт для регулирования отпуска электроэнергии и тепло-
ты;
2) электрические станции, где осуществляется совместная выработка и от-
пуск в соответствующие сети тепловой и электрической энергии;
3) электрические станции, где за счет сжигания топлива вырабатывается
электроэнергия;
4) электрические станции, где за счет электроэнергии вырабатывается теп-
лота;
5) тепловые станции, где за счет сжигания топлива вырабатывается тепло-
вая энергия;
Правильный ответ — 2
5.13. Как понижают температуру водяного пара, как теплоносителя, в промыш-
ленности?
1) только за счет понижения давления в редукционном клапане;
2) только за счет охлаждения водой в поверхностных теплообменниках;
3) только за счет смешения с холодной водой;
4) только за счет смешения с паром более низких параметров;
5) за счет понижения давления в редукционном клапане и за счет смеше-
ния с холодной водой.
Правильный ответ — 5
5.14. Как понижают температуру воды, как теплоносителя, в промышленности?
1) только за счет смешения в элеваторах с более холодной водой;
2) только за счет охлаждения водой в поверхностных теплообменниках;
3) только на градирнях;
330 <0- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА О Вопросы
4) либо за счет смешения в элеваторах с более холодной водой, либо на
градирнях;
5) за счет смешения в элеваторах с более холодной водой и за счет охла-
ждения водой в поверхностных теплообменниках.
Правильный ответ — 4
5.15. Что такое «число часов использования максимума тепловой нагрузки»?
1) количество часов, когда использовалось максимальное потребление теп-
ловой нагрузки;
2) отношение числа часов потребления максимальной тепловой нагрузки
к общему числу часов работы предприятия;
3) отношение годового количества потребленной тепловой нагрузки к мак-
симально потребленному за один час;
4) разрешенное предприятию число часов использования максимальной
тепловой нагрузки;
5) отношение количества часов, когда использовалась максимальное по-
требление тепловой нагрузки, к разрешенному предприятию числу часов
использования максимальной тепловой нагрузки.
Правильный ответ — 3
РАЗДЕЛ 6
6.1 Что понимается под вторичными энергоресурсами?
1) энергетический потенциал отходов, побочных и промежуточных про-
дуктов, образующихся в технологических установках, который не ис-
пользуется в самой установке, но может быть частично или полностью
использован для энергоснабжения других установок;
2) энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежу-
точных продуктов, образующихся в технологических установках, кото-
рый не используется в самой установке, но может быть частично или
полностью использован для энергоснабжения других установок;
3) энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежу-
точных продуктов, образующихся в технологических установках, кото-
рый используется в самой установке;
4) энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежу-
точных продуктов, образующихся в технологических установках, кото-
рый может быть использован в самой установке и для энергоснабжения
других установок;
5) энергетический потенциал продукции, образующейся в технологической
установке, который не используется в самой установке, но может быть
частично или полностью использован для энергоснабжения других уста-
новок.
Раздел 6 •Ф’ 331
Правильный ответ — 2
6.2. Какие тепловые ВЭР являются низкопотенциальными?
1) температура которых ниже 500 °C;
2) температура которых ниже 400 °C;
3) температура которых ниже 300 °C;
4) температура которых ниже 200 °C;
5) температура которых ниже 100 °C.
Правильный ответ — 3
6.3. Что такое удельный выход тепловых ВЭР?
1) выход тепловых ВЭР на единицу или сырья, или топлива;
2) выход тепловых ВЭР на единицу или продукции, или топлива;
3) выход тепловых ВЭР на единицу или продукции, или сырья;
4) выход тепловых ВЭР на единицу или продукции, или сырья, или топ-
лива;
5) выход тепловых ВЭР в единицу времени.
Правильный ответ — 4
6.4. Что такое экономическая эффективность использования ВЭР?
1) экономия используемого топлива за счет использования ВЭР за рас-
сматриваемый период времени;
2) доля сэкономленного топлива счет использования ВЭР за рассматрива-
емый период времени;
3) стоимость сэкономленного топлива за счет использования ВЭР за рас-
сматриваемый период времени;
4) экономия топлива за счет использования ВЭР в тоннах условного топ-
лива за рассматриваемый период времени;
5) экономия топлива за счет использования ВЭР на единицу готовой про-
дукции.
Правильный ответ — 5
6.5. Что называется рекуперативными теплообменниками?
1) теплообменники, в которых горячей средой является водяной пар;
2) теплообменники, в которых холодная среда нагревается электронагре-
вателями;
3) теплообменники, в которых горячая и холодная среда протекают одно-
временно и теплота передается через разделяющую их стенку;
4) теплообменники, в которых одна и та же поверхность через опреде-
ленные промежутки времени то нагревается электронагревателем, то
омывается холодным теплоносителем;
332 > ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА -ф- Вопросы
5) теплообменники, в которых одна и та же поверхность через определен-
ные промежутки времени омывается то горячим, то холодным теплоно-
сителем.
Правильный ответ — 3
6.6 Что называется регенеративными теплообменниками?
1) теплообменники, в которых горячей средой является водяной пар;
2) теплообменники, в которых холодная среда нагревается электронагре-
вателями;
3) теплообменники, в которых горячая и холодная среда протекают одно-
временно и теплота передается через разделяющую их стенку;
4) теплообменники, в которых одна и та же поверхность через опреде-
ленные промежутки времени то нагревается электронагревателем, то
омывается холодным теплоносителем;
5) теплообменники, в которых одна и та же поверхность через определен-
ные промежутки времени омывается то горячим, то холодным теплоно-
сителем.
Правильный ответ — 5
6.7. Что такое комплексная утилизация теплоты?
1) предварительно делается каскадирование теплоты с помощью теплооб-
менников и котлов-утилизаторов, а затем применяются тепловые насо-
сы;
2) предварительно применяются тепловые насосы, а затем делается каска-
дирование теплоты с помощью теплообменников и котлов-утилизато-
ров;
3) предварительно применяются высокотемпературные тепловые насосы,
а затем — низкотемпературные;
4) теплота используется на различные технологические нужды;
5) теплота последовательно используется для нагрева воды, воздуха, на
выработку холода.
Правильный ответ — 1
6.8. Как утилизируются нзкотемпературные продукты сгорания?
1) только в регенеративных теплообменниках;
2) только в рекуперативных теплообменниках;
3) только в контактных теплообменниках, орошаемых водой;
4) в контактных теплообменниках, орошаемых водой или с активной на-
садкой;
5) только в теплонасосных установках.
Правильный ответ — 4
Раздел 6 “v- 333
6.9. Как утилизируется теплота горячих жидкостей?
1) только в регенеративных теплообменниках;
2) только в рекуперативных теплообменниках;
3) только в теплонасосных установках с паровым эжектором;
4) только в аппаратах мгновенного вскипания;
5) в рекуперативных теплообменниках, в теплонасосных установках с па-
ровым эжектором; в аппаратах мгновенного вскипания.
Правильный ответ — 5
6.10. Как утилизируется теплота сбросных паровых потоков?
1) только путем смешивания с водой;
2) только в рекуперативных теплообменниках;
3) только путем повышения давления в термокомпрессорах;
4) только в теплонасосных установках с промежуточным теплоносителем;
5) любым из вышеперечисленных способов.
Правильный ответ — 5
6.11. Как утилизируется теплота отработанного газа конвективных сушильных
установок?
1) с помощью рекуперативных или регенеративных теплообменников, или
теплообменников с промежуточным теплоносителем;
2) с помощью теплонасосных установок, работающих или по замкнутой
или по разомкнутой схемам;
3) с помощью рекуперативных или регенеративных теплообменников, или
теплообменников с промежуточным теплоносителем, или с помощью
теплонасосных установок, работающих или по замкнутой или по разо-
мкнутой схемам;
4) с помощью рекуперативных теплообменников, или теплообменников
с промежуточным теплоносителем, или с помощью теплонасосных уста-
новок, работающих или по замкнутой или по разомкнутой схемам;
5) с помощью рекуперативных или регенеративных теплообменников, или
теплообменников с промежуточным теплоносителем, или с помощью
теплонасосных установок, работающих только по разомкнутой схеме.
Правильный ответ — 3
6.12. В процессах ректификации теплота может утилизироваться с помощью
ТНУ, работающих:
1) или на флегме, или на дистилляте, или на кубовой жидкости, или на
кубовом остатке;
2) или на дистилляте, или на кубовой жидкости, или на кубовом остатке;
3) или на флегме, или на кубовой жидкости, или на кубовом остатке;
334 4- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ❖ Вопросы
4) или на флегме, или на дистилляте, или на кубовом остатке;
5) или на флегме, или на дистилляте, или на кубовой жидкости.
Правильный ответ — 1
6.13. Как утилизируется теплота вентиляционных выбросов производств с вред-
ными выбросами?
1) в рекуперативных теплообменниках с промежуточным теплоносителем,
в рекуперативных теплообменниках, в теплообменниках смешения, в ре-
генеративных теплообменниках с тепловыми трубами, во вращающихся
регенеративных теплообменниках, в регенеративных теплообменниках
с промежуточным теплоносителем;
2) в рекуперативных теплообменниках с промежуточным теплоносителем,
в рекуперативных теплообменниках, в регенеративных теплообменниках
с тепловыми трубами, во вращающихся регенеративных теплообменни-
ках, в регенеративных теплообменниках с промежуточным теплоноси-
телем;
3) в рекуперативных теплообменниках, в теплообменниках смешения, в ре-
генеративных теплообменниках с тепловыми трубами, во вращающихся
регенеративных теплообменниках, в регенеративных теплообменниках
с промежуточным теплоносителем;
4) в рекуперативных теплообменниках с промежуточным теплоносителем,
в рекуперативных теплообменниках, в теплообменниках смешения, в ре-
генеративных теплообменниках с тепловыми трубами, во вращающихся
регенеративных теплообменниках;
5) в рекуперативных теплообменниках с промежуточным теплоносителем,
в рекуперативных теплообменниках, в теплообменниках смешения, в ре-
генеративных теплообменниках с тепловыми трубами, в регенеративных
теплообменниках с промежуточным теплоносителем.
Правильный ответ — 2
6.14. Возможные способы использования низкопотенциальных ВЭР?
1) подогрев воды, подогрев воздуха, выработка холода, повышение потен-
циала теплоты с помощью теплонасосных установок;
2) подогрев воды, подогрев воздуха, повышение потенциала теплоты с по-
мощью теплонасосных установок, совмещенные установки;
3) выработка холода, повышение потенциала теплоты с помощью тепло-
насосных установок, совмещенные установки;
4) подогрев воды, подогрев воздуха, выработка холода, повышение по-
тенциала теплоты с помощью теплонасосных установок, совмещенные
установки;
5) подогрев воды, подогрев воздуха, повышение потенциала теплот с по-
мощью теплонасосных установок.
Раздел 6 4- 335
Правильный ответ — 4
6.15. Где используется паровой аккумулятор?
1) в выпарных и ректификационных установках;
2) в ректификационных и сушильных установках;
3) в выпарных и сушильных установках;
4) в выпарных, ректификационных и сушильных установках;
5) в любых вышеперечисленных и других установках при несовпадении по
времени выхода и потребления пара.
Правильный ответ — 5
6.16. В каких аппаратах можно использовать теплоту горячих загрязненных
жидкостей?
1) в аппаратах мгновенного вскипания с промежуточным теплоносителем;
2) в любых аппаратах мгновенного вскипания;
3) с помощью любых теплонасосных установок;
4) с помощь любых теплонасосных установок и в любых аппаратах мгно-
венного вскипания;
5) с помощью теплонасосных установок с паровым эжектором и в аппара-
тах мгновенного вскипания с промежуточным теплоносителем.
Правильный ответ — 4
предметный указатель
А
Агрегат водогрейный, 231
Адиабатная термодинамическая система, 9
Адиабатный процесс, 19
Аккумулятор, 264
Аммиак, 176
Анализ эксергетический, 42
---задачи, 47
Анергия, 45
Аппарат мгновенного вскипания, 262
------с промежуточным
теплоносителем, 263
Б
Баланс материальный, 44, 70
— тепловой, 45, 70
— эксергетический, 44, 70
— - энергетический, 45
Балласт топлива, 216
Барабан котлоагрегата, 235
Бойлер, 231
— водоводяной, 231
— емкостной, 232
— пароводяной, 231
— скоростной, 231
Бустерный вакуумный насос, 145
Быстрота действия вакуумного насоса, 127
— откачки, 127
---объекта, 127
В
Вакуум, 118
— высокий, 119
— низкий, 119
— относительный, 118
— сверхвысокий, 119
— средний, 119
Вакуумная конденсация, 119
Вакуумный насос, 119
---«мокрый», 132
---бустерный, 145
---водокольцевой, 135
---вращательный, 134
---газоперекачивающий, 131
---двухроторный, 138
---диффузионно-эжекторный, 143
---жидкостно-кольцевой, 135
----объемного действия, 131
----пароструйный, 140
------многоступенчатый, 141
----пластинчато-роторный, 134
----пластинчато-статорный, 136
----плунжерный масляный, 137
----поршневой, 134
----предварительного разряжения, 145
----с масляным уплотнением, 136
----струйный, 139
----форвакуумный, 145
Влажность топлива, 216
Влажный пар, 13
Внешние объекты, 43
Внутренняя энергия, 10
Вода, охлаждающая компрессор, 112
Водогрейный агрегат, 231
— котел, 231
Водоподготовка, 226
Возгонка, 11
Вредный объем компрессора, 92
Время откачки, 130
Всасывающий клапан, 91
Вторичные энергоресурсы, 248
— — виды, 249
----высокопотенциальные, 250
----горючие, 249
----избыточного давления, 249
----направления использования, 249
----низкопотенциальные, 250
----общий выход, 252
----среднепотенциальные, 250
----тепловые, 249
----удельный выход, 252
----утилизация комплексная, 255
----утилизация способы использования,
251
----средства для использования, 251, 252
----эффективность использования, 252,
253
Второй закон термодинамики, 37
Высокотемпературные теплоносители,
230, 232
Г
Газовая постоянная, 10
Газовыделение, 128
Предметный указатель Ф 337
Горючая масса топлива, 216
Градирня, 244, 248
д
Давление, 10
— выпускное вакуум-насоса, 126
---максимально-допустимое вакуум-
насоса, 128
---наибольшее вакуум-насоса, 127
Давление запуска вакуум насоса, 127
---------наибольшее, 127
— компрессора конечное, 91
---начальное, 91
— критическое при истечении, 31
---состояния вещества, 11
— насыщения, 12
— остаточное, 118
---предельное, 128
— рабочее наибольшее вакуум-насоса, 128
---наименьшее вакуум-насоса, 128
— срыва вакуум-насоса, 128
Девальвация, 60
Девальвированное вещество, 60
Детандер, 152
— кинетического действия, 152, 153
— объемного действия,
Диаграмма Грассмана, 45
— состояния, 10
Диссипация эксергии, 45, 69
Диффузор, 33
— турбокомпрессора, 107
Дросселирование, 39
Дроссель-вентиль, 185
Дроссель-эффект дифференциальный, 39
— интегральный, 39
Дымовая труба, 226
3
Закон сохранения энергии, 16
Затвердевание, 11
Золоуловитель, 226
Зольность топлива, 216
И
Изобарный процесс, 18
Изолированная термодинамическая
система, 9
Изотермный процесс, 18
Изохорный процесс, 18
Изоэнтропный процесс, 19
Индикаторная диаграмма компрессора, 92
— работа компрессора, 93
Испарение, 11
Испаритель холодильной машины, 184
Истечение из суживающегося канала, 30,
31
К
Канал расширяющийся, 33
— суживающийся, 33
Клапан предохранительный, 117
Коллектор, 225
Кокс, 216
Компрессор, 90
— адиабатный, 95
— вертикальный, 103
— винтовой, 106
— воздушный, 90
— высокого давления, 90
— газовый, 90
— горизонтальный, 103
— динамического действия, 90
— жидкостно-кольцевой, 106
— изотермный, 95
— многорядный, 103
— многоступенчатый, 100
— низкого давления, 90
— общего назначения, 90
— однорядный, 103
— одноступенчатый, 100
— оппозитный, 103
— осевой, НО
— пластинчатый, 104
— политропный, 95
— поршневой, 91
---двойного действия, 92
---многоцилиндровый, 92
---простого действия, 91
— прямоугольный, 103
— роторный, 104
— сверхвысокого давления, 90
— среднего давления, 90
— холодильной машины, 181
Компрессорная станция, 116
Конденсатор вакуумный, 119
---барометрический, 121, 122
---поверхностный, 120
---смешения, 121
---сублимационный, 126
— холодильной машины, 183
Конденсация, 11
Котел-утилизатор, 229
Котлоагрегат, 220
— коэффициент полезного действия, 228
— кратности циркуляции, 227
— прямоточный, 227
— тепловой баланс, 228
— адиабатного дросселирования, 39
338 4» ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
Коэффициент Джоуля-Томсона, 39
— избытка воздуха, 218
— инжекции, 140
— использования вакуум-насоса, 127
— наполнения цилиндра компрессора, 93
— полезного действия, 46
------компрессора, 115
------термический, 156
------термодинамический компрессора,
97
------эксергетический, 46
------эксергетический компрессора, 97
------эксергетический при горении, 235
------эксергетический при смешении,
71
------эксергетический при
теплообмене, 69
Коэффициент преобразования ТНУ, 201,
205, 207
— производительности компрессора, 115
— Пуассона, 20
— скоростной, 38
— эффективности совмещенного цикла,
211
— холодильный, 157
Кратность циркуляции, 193
Криогенная установка (цикл), 160, 207
---внутреннее охлаждение, 207
---доля ожиженного воздуха, 209
---окончательное охлаждение, 209
---предварительное охлаждение, 208
---энергетический баланс, 209
Критерий Кнудсена, 118—119
Критические параметры при истечении,
31
---состояния вещества, 11
Круговой процесс, 155
Л
Летучие вещества топлива, 216
Линия байпасная, 146, 274
— насыщения, 11
Ловушка вакуумная, 114
---ионная, 114
---конденсационная, 114
---сорбционная, 114
М
Мертвое пространство компрессора, 92
---компрессора относительный объем,
92
Мощность двигателя компрессора, 115
— компрессора внутренняя, 115
---на валу, 115
— компрессорного агрегата, 116
— удельная, 117
---рефрижератора, 162
Н
Нагнетательный клапан, 91
Направляющий аппарат, 107
Насосы холодильной установки, 185
Насыщенный пар, 12
Натекание, 128
Недорекуперация, 209
Необратимость внешняя, 37
— внутренняя, 37
— процессов, 37
---причины, 37
О
Объекты внешние, 43
Объем удельный, 10
Ожижитель, 160
Окружающая среда, 9, 43
---локальная, 62
Опускная труба, 225
Отношение давлений компрессора, 91
Охладитель воздуха концевой, 111, 117
---промежуточный, 109, 117
П
Пар влажный, 13
— вторичный, 248, 265
— насыщенный, 11
— перегретый, 12
Параметры влажного пара, 13
— состояния термодинамические, 10
Паровой аккумулятор, 264
Парогенератор, 224
- ВОТ, 230
Пароперегреватель, 225
Первый закон термодинамики, 16
Переохладитель, 185
Перепускное устройство (канал), 1105,
132, 133
Переход фазовый, 11
Печь, 221
— высокотемпературная, 221
— движение газов, 223
— косвенного нагрева, 222
— непосредственного нагрева, 222
— низкотемпературная, 221
— тепловой баланс, 223
— тепловой режим, 223
— теплообмен, 223
— термический КПД, 224
— топливная, 221
Предметный указатель Ф 339
— электрическая, 221
Плавление, 11
Плотность, 10
Поверхность термодинамическая, 10
Пограничная кривая, 11
Показатель адиабаты, 20
— политропы, 20
Политропный процесс, 20
Помпаж, 109
Потери эксергии, 45
---внешние, 47
---внутренние, 47
Поток, 28, 127
Предел сжатия объемный, 100
Преобразование эксергии, 54, 56, 149
Проводимость вакуумной системы, 128
Продувка, 226
Производительность компрессора
массовая, 91
---объемная, 91
---регулирование, 113
Промежуточный сосуд, 185
— теплоноситель, 220
Процесс адиабатный, 19
— изобарно-изотермный, 19
— изобарный, 18
— изотермный, 18
— изохорный, 18
— изоэнтропный, 19
— круговой, 155
— обратимый, 18
— политропный, 20
— равновесный, 18
— термодинамический, 18
Пылеприготовление, 218
Р
Работа, 9
— адиабатного процесса, 19
— вакуумного насоса удельная, 131, 132
— изотермного процесса, 18
— изохорного процесса, 18
— изобарного процесса, 18
— компрессора, 94
---удельная, 94
— отрицательная, 17
— политропного процесса, 21
— положительная, 17
— проталкивания, 17
— располагаемая, 17
— расширения-сжатия, 17
— техническая, 28
Рабочая масса топлива, 216
— точка компрессора, ПО
Рабочее колесо компрессора, 107
— тело, 9
Равновесное состояние, 10
Равновесный процесс, 18
Разделительная установка газовой смеси,
160
Рассол, 178
— криогидратная точка, 179
Рассольное охлаждение, 180, 181
Расход энергии, 9
Реакция девальвации, 61
Регенеративный теплообменник, 254, 280,
281, 282
Регулирующий вентиль холодильной
машины, 185
Редукционно-охладительная установка,
73, 243
Ректификация утилизация теплоты, 274
Рекуперативный теплообменник, 254, 267,
271
Ресивер, 117
Рефрижератор, 160
С
Себестоимость сжатого воздуха, 117
Система адиабатная, 9
— вакуумная, 145
— закрытая, 9
— изолированная, 9
— открытая, 9
— охлаждения компрессора, 111
------прямоточная, 112
------циркуляционная, 112
Система термодинамическая, 9
Скоростной коэффициент, 38
Скорость потока в суживающимся канале.
31
---действительная, 38
---звуковая, 32
---критическая, 31
---на выходе из системы, 30
---при истечении, 31
— в объеме, 70
— в потоке, 70
Снеговая шуба, 181
---оттаивание, 181
Совместное получение теплоты и холода,
211
---------коэффициент эффективности,
211
Соотношение давлений критическое, 31
Сопло, 33
— Лаваля, 33
— расширяющееся, 33
340 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
— суживающееся, 33
Состояние равновесное, 10
Сравнительные условия работы
холодильного оборудования, 161
Среда окружающая, 9
Станция компрессорная, 116
Степень сухости влажного пара, 13
Ступень компрессора, 100
Сублимация, 11
Т
Температура, 10
— инверсии, 39
— кипения нормальная, 53
— компрессора конечная, 91
----начальная, 91
— насыщения, 12
Тепловая труба, 281
Тепловой баланс, 45
----котлоагрегата, 228
Тепловой баланс печи
----при смешении, 70
----теплообменника, 68
Тепловой насос, 199
Тепловой пункт местный, 245
----центральный, 240
Теплогенератор ВОТ, 232—233
— жидкостной, 220
— с электрообогревом, 233
Теплоемкость, 18
Теплоиспользующая установка
требования, 246
Теплонасосная установка, 199
----воздушная, 204
------отрицательный цикл, 205
------положительный цикл, 205
----замкнутый цикл, 200
----компрессионная, 200
----компрессоры, 203
----коэффициент преобразования, 200
----пароэжекторная, 204
----рабочие агенты, 201
----разомкнутый цикл, 202
----теплоотдатчик, 202
----эксергетический КПД, 201
Теплоносители высокотемпературные,
230, 232
Теплообменник контактный, 257
----с активной насадкой, 258
— регенеративный, 254, 280, 281, 282
— рекуперативный, 254, 267, 271
Теплоперепад адиабатный, 30
Теплоподготовительные установки, 243
Теплопотребление, 241
— показатель неравномерности, 243
— режим, 241
Теплоснабжение водяное, 239
— децентрализованное, 238
— паровое, 239
— система, 238
---закрытая, 240
---многотрубная, 240
---однотрубная, 240
— система открытая, 240
— централизованное, 239
Теплота, 9
— адиабатного процесса, 19
— сгорания топлива, 217
— изобарного процесса, 18
— изобарно-изотермного процесса, 19
— изотермного процесса, 18
— изохорного процесса, 18
— источники, 215
— каскадирование, 255
— конденсации, 19
— отрицательная, 17
— парообразования, 19
— политропного процесса, 21
— положительная, 17
— потребители, 240
---круглогодичные, 241
---сезонные, 241
Термодинамическая система, 9
— параметры состояния, 10
Термокомпрессор, 202
Термотрансформатор, 212
— коэффициент преобразования теплоты,
213
— повышающий, 214
— понижающий, 213
Топливо, 215—216
— условное, 217
— балласт, 216
— влажность, 216
— газообразное, 216
— горение, 218
— горючая часть, 216
— жидкое, 216
— зажигание, 218
— зольность, 216
— летучие вещества, 216
— органическое, 216
— продукты сгорания, 218—219
— пылеприготовление, 218
— рабочая масса, 216
— твердое, 216
— удельная теплота сгорания, 217
---------высшая, 217
Предметный указатель Ф 341
---------низшая, 217
— эксергия, 220
— энергетическое, 216
— ядерное, 216
Топочная камера, 222
Точка критическая, 11
— тройная, 11
Труба барометрическая, 121
Турбина, 148
Турбодетандер, 152, 153
Турбокомпрессор, 107
— центробежный, 107
ТЭЦ, 238
У
Удельная газовая постоянная, 10
— энергия, 9
Удельный объем, 10
Универсальная газовая постоянная, 10
Уравнение рабочего тела, находящегося
в относительном покое, 17
— адиабатного процесса, 19
— Бернулли, 29
— вакуумной техники, 127
— Гюи-Стодолы, 45
— дросселирования, 38, 39
— изотермного процесса, 19
Уравнение Менделеева—Клапейрона, 10
— первого закона термодинамики для
закрытой системы, 17
---------для потока (уравнение потока),
29
— политропного процесса, 20
— состояния идеального газа, 10
— сплошности, 127
— теплового баланса, 45
Установка вакуумная, 145
Утилизация ВЭР, 249
— теплоты комплексная, 255
Фильтр воздушный, 116
— масляный, 117
— пыли, 117
Форвакуумный насос, 145
Фреон, 176
X
Характеристики компрессора, 109
---универсальная, 110
Хладагент, 161, 175
Хладоноситель, 163, 178
Холодильная машина, 162
---абсорбционная, 191
------кратность циркуляции раствора,
193
------удельный расход теплоты, 193
------холодильный коэффициент, 193
------эксергетический КПД, 193
------энергетический баланс, 193
----газовая, 197
------компрессионная, 197
------работа цикла, 197
------теплота цикла, 197
------холодильный коэффициент, 197
------эксергетический КПД, 199
----парокомпрессионная, 162
------каскадная, 172
------многоступенчатая, 171
------пути повышения экономичности,
186
------холодильный коэффициент, 166
------цикл действительный, 164
------цикл идеальный, 163
------эксергетический КПД, 169
----пароэжекторная, 194
------удельный расход теплоты, 196
------холодильный коэффициент, 196
------эксергетический КПД, 196
------энергетический баланс, 196
Холодильный агент, 161, 175
— коэффициент, 157
----цикла Карно, 158
Холодопроизводительность, 160
— стандартная, 161
— удельная массовая, 161
— эксергетическая, 161
ц
Центробежный компрессор, 107
Цикл, 155
— Карно обратный, 157
----прямой, 155
----прямой КПД, 156
----прямой эксергетический КПД, 159
— обратный, 155
----криогенный, 160
----работа, 157
----совместного получения теплоты
и холода, 160
----теплонасосной установки, 160
----холодильный эксергетический КПД,
159
— прямой, 155
----КПД, 156
----работа, 156
----эксергетический КПД, 159
— холодильный, 157, 160
----эксергетический КПД, 159
342 ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
ш
Шлак, 216
Э
Эжектор, 140
Экономайзер, 226
Экономия энергетических ресурсов, 248
Экранные трубы, 224—225
Эксергетическая температурная функция,
63, 158
Эксергетический анализ, 42, 47
- КПД, 46
----процесса расширения, 148, 150, 152
----теплообменного аппарата, 69
Эксергия, 42
— вещества в замкнутом объеме, 47, 48
----в потоке, 47, 51
— концентрационная, 48, 59
----газов воздуха, 60
— механическая, 48, 54, 149, 152
— потока излучения, 48, 67
----теплоты, 48, 63, 158
------в изобарном процессе, 66
— реакционная, 48, 60
— термическая, 48, 54, 149, 152
— термомеханическая, 48
— топлива, 220
— транзитная, 67
— химическая, 48, 61
Элеватор, 243
Энергии, не характеризующиеся
энтропией, 41
— характеризующиеся энтропией, 41
Энергия, 9
— внутренняя удельная, 10
- Гиббса, 59, 61, 62
— расход, 9
Энтальпия удельная, 10
Энтропии изменение в адиабатном
процессе, 19
---в изобарном процессе, 18
---в изотермном процессе, 18
---в изохорном процессе, 18
---в политропном процессе, 21,22
Энтропия удельная, 10
Эффект Джоуля—Томсона, 39
Эффект Джоуля—Томсона отрицательный,
39
------положительный, 39
Список литературы
1. Андрющенко А. И., Аминов Р.З., Хлебалин Ю.М. Теплофикационные установки и их
использование. — М.: Высш, шк.,1989.
2. Аракелов В. Е., Кремер А, И. Методические вопросы экономии энергоресурсов. —
М.: Энергоатомиздат, 1990.
3. Бродянский В. М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его прило-
жения / Под ред. В. М. Бродянского. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
4. Вакуумная техника: Справочник / Под ред. Е. С. Фролова, В. Е. Минайчева. —
М.: Машиностроение, 1985.
5. Вакуумное оборудование. Каталог. — М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1990.
6. Вакуумное оборудование. Каталог. — М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1976.
7. Везиришвили О.Ш., Меладзе Н.В. Энергосберегающие теплонасосные системы
тепло- и хладоснабжения. — М.: Изд. МЭИ, 1994.
8. Вяткин М.А., Рябцева Н. И., Чураков С.Д. Основные направления развития энер-
гетики химической промышленности. — М.: Химия, 1987.
9. Гельперин Н.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.:
Химия, 1981.
10. Григоров В. Г. и др. Утилизация низкопотенциальных тепловых вторичных энер-
горесурсов на химических предприятиях. — М.: Химия, 1987.
11. Данилов О, Л,, Леончик Б. И. Экономия энергии при тепловой сушке. — М.:
Энергоатомиздат, 1986.
12. Дытнерский Ю,И, Процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия,
1995.
13. Епифанова В. И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального
типа. — М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998.
14. Афанасьев В. А. и др. Задачник по технической термодинамике и теории тепло-
массообмена. — М.: Высш.шк., 1986.
15. Зубарев В.Н. и др. Практикум по технической термодинамике. — М.: Энерго-
атомиздат, 1986.
16. Зыков А. К. Паровые и водогрейные котлы: Справочное пособие. — М.: Энерго-
атомиздат, 1987.
17. Карапетьянц М.Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М.: Химия,
2000.
18. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.:
Химия, 1973.
19. Кириллин В. А. и др. Техническая термодинамика. — М.: Энергоатомиздат, 1983.
20. Компрессорные машины. Каталог. — М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1987.
344 ❖ ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
21. Криогенное оборудование. Каталог. — М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1988.
22. Куперман Л, И. и др. Вторичные энергоресурсы и энерготехнологическое комби-
нирование в промышленности. — Киев: Виша. шк.,1986.
23. Лапытков Р. Ш., Шарафиев Р. Г. Техническая термодинамика и энерготехнология
химических производств. — М.: Энергоатомиздат, 1998.
24. Мартынов А. В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. — М.: Энер-
гоатомиздат, 1989.
25. Методические указания к изучению курса «Теплотехника биотехнологических
процессов» / Сост. Мазур J1.C. — Л.: ЛХФИ, 1988.
26. Панкратов Г. П. Сборник задач по теплотехнике. — М.: Высш, шк., 1986.
27. Бакластов А.М. и др. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника / Под общ.
ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. — М.: Энергоатомиздат, 1983.
28. Ривкин С. Л., Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного
пара. — М.: Энергоатомиздат, 1984.
29. Романков П. Г. и др. Методы расчета процессов и аппаратов химической техно-
логии (примеры и задачи). — СПб: Химия, 1993.
30. Рыбин А. И., Закиров Д. Г. Экономия электроэнергии при эксплуатации воздуш-
ных компрессорных установок. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
31. Сажин Б. С. Основы техники сушки. — М.: Химия, 1984.
32. Андрианова Т.Н. Сборник задач по технической термодинамике. — М.: Энерго-
атомиздат, 1981.
33. Степанов В. С. Химическая энергия и эксергия веществ. — Новосибирск: Наука.
Сиб. отд-ние, 1990.
34. Степанов В. С., Степанова Т. Б. Потенциал и резервы энергосбережения в про-
мышленности. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990.
35. Степанов В. С., Степанова Т. Б. Эффективность использования энергии. — Но-
восибирск: Наука. Сиб. изд. фирма, 1994.
36. Теплотехника / Под ред. А. П. Баскакова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
37. Голубков Б. Н. и др. Теплотехническое оборудование и теплоснабжение промыш-
ленных предприятий / Под ред. Б. Н. Голубкова. — М.: Энергоатомиздат, 1993.
38. Теплоэнергетика и теплотехника / Под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зори-
на. — М.: Энергоатомиздат, 1987.
39. Техническая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1931.
40. Хараз Д. И., Псахис Б. И. Пути использования вторичных энергоресурсов в хими-
ческих производствах. — М.: Химия, 1984.
41. Бамбушек Е.М. и др. Холодильные машины / Под общ. ред. И. А. Сакуна. — Л.:
Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1985.
42. Холодильные машины и аппараты. Каталог в 3-х частях. — М.: ЦИНТИхимнеф-
темаш, 1988.
Список литературы Ф 345
43. Червяков С. С., Кулаковский А. И, Основы холодильного дела. — М.: Высш, шк.,
1988.
44. Чечеткин А. В., Занемонец Н.А. Теплотехника. — М.: Высш, шк., 1986.
45. Бродянский В. М. и др. Эксергетические расчеты технических систем / Под ред.
А. А. Долинского, В. М. Бродянского. — Киев: Наукова думка, 1991.
46. Булеков А. П., Сажин Б. С. Эксергетический метод в химической технологии. —
М.: Химия, 1992.
47. Л. Д. Богуславский и др. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиля-
ции и кондиционирования воздуха. — М.: Стройиздат, 1990.
48. Янтовский Е.И., Левин Л. А. Промышленные тепловые насосы. — М.: Энерго-
атомиздат, 1989.
49. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: В
4-х т. / Л. В. Гурвич, И. В. Вейц, В. А. Медведев и др. — М.: Наука, 1978—1982.
ГОСТы 2.701-84, 2.704-76, 2.782-96, 2.784-96, 2.785-70, 2.788-74, 2.789-74, 2.790-
74, 2.791-74, 2.792-74, 2.793-79, 2.796-95, 21.403-80, 5197-85, 24393-80, 28567-90,
26691-85.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................ 3
Введение................................................ 5
Условные обозначения ................................... 6
Глава 1. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ............... 9
1.1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ................................... 9
1.2 ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ............................ 10
1.3 ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА,
НАХОДЯЩЕГОСЯ В ОТНОСИТЕЛЬНОМ ПОКОЕ (ЗАКРЫТАЯ
СИСТЕМА)......................................... 16
1.4 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЗАКРЫТЫХ СИСТЕ-
МАХ.............................................. 18
1.5 ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ ПОТОКА............. 28
1.5.1 Истечение из суживающегося канала. Сопло. Диффузор 30
1.6 ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ..................... 37
1.6.1 Дросселирование. Эффект Джоуля—Томсона.... 38
Глава 2. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО
АНАЛИЗА...............................................41
2.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ............................... 41
2.2 ВИДЫ ЭКСЕРГИИ И ЕЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ................ 47
2.2.1 Эксергия вещества в замкнутом объеме...... 48
2.2.2 Эксергия вещества в потоке................ 51
2.2.3 Диаграммы эксергии вещества в потоке ..... 53
2.2.4 Концентрационная эксергия потока вещества. 58
2.2.5 Реакционная эксергия потока вещества...... 60
2.2.6 Химическая эксергия элементов и соединений. Измене-
ние химической эксергии при химических превращениях 61
2.2.7 Эксергия теплового потока................. 63
2.2.8 Эксергия потока излучения................. 66
2.3 КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ С ПРЕОБРА-
ЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ ................................ 67
2.3.1 Теплообмен от одного рабочего тела к другому. 68
2.3.2 Смешение и разделение веществ............. 69
Глава 3. СЖАТИЕ И РАСШИРЕНИЕ ГАЗОВ..................... 89
3.1 КОМПРЕССОРЫ.................:.................. 90
Оглавление 347
3.1.1 Общие сведения.................................. 90
3.1.2 Основные параметры.............................. 91
3.1.3 Поршневые компрессоры........................... 91
3.1.4 Индикаторная диаграмма.......................... 92
3.1.5 Индикаторная работа компрессора ................ 93
3.1.6 Политропный, адиабатный и изотермный компрессоры . 94
3.1.7 Предел одноступенчатого сжатия. Многоступенчатое
сжатие....................................... 100
3.1.8 Многоступенчатые поршневые компрессоры......... 101
3.1.9 Роторные компрессоры........................... 104
3.1.10 Турбокомпрессоры.............................. 107
3.1.11 Осевые компрессоры............................. ПО
3.1.12 Охлаждение компрессоров....................... 111
3.1.13 Регулирование объемной производительности компрес-
соров ....................................... 113
3.1.14 Мощность компрессорного агрегата.............. 115
3.1.15 Компрессорные станции......................... 116
3.2 ПОЛУЧЕНИЕ ВАКУУМА................................... 118
3.2.1 Общие сведения................................. 118
3.2.2 Вакуумная конденсация паров.................... 119
3.2.3 Характерные параметры вакуумных систем ........ 126
3.2.4 Продолжительность откачки вакуумной системы.129
3.2.5 Газоперекачивающие механические вакуумные насосы . 131
3.2.6 Струйные вакуумные насосы...................... 139
3.2.7 Вакуумные ловушки ............................. 144
3.2.8 Вакуумные установки............................ 145
3.3 СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ НА СЖАТИЕ
ГАЗОВ В КОМПРЕССОРАХ И ВАКУУМНЫХ НАСОСАХ.............146
3.4 РАСШИРЕНИЕ ГАЗОВ.................................... 148
3.4.1 Основы теории расширения газов................. 148
3.4.2 Машины для расширения газов и паров............ 152
Глава 4. ЦИКЛЫ: ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ ........................155
4.1 ПРЯМОЙ ЦИКЛ...................................... 155
4.2 ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ.................................... 157
4.3 ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ КПД ЦИКЛА........................ 158
4.4 КЛАССИФИКАЦИЯ ОБРАТНЫХ КРУГОВЫХ ПРОЦЕССОВ . . 159
4.5 ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОДИЛЬНЫХ И КРИОГЕННЫХ УСТА-
НОВОК................................................. 160
4.6 ПАРОКОМПРЕССИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ . . . 162
348 -Ф- ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
4.6.1 Цикл идеальной машины...................... 163
4.6.2 Циклы действительной машины................ 163
4.6.3 Двух- и многоступенчатые холодильные машины.170
4.6.4 Каскадные парокомпрессионные холодильные машины 173
4.6.5 Хладагенты................................. 175
4.6.6 Хладоносители...............................178
4.6.7 Системы рассольного охлаждения............. 180
4.6.8 Оборудование парокомпрессионных установок...181
4.6.9 Пути повышения экономичности парокомпрессионных
холодильных машин ......................... 186
4.7 АБСОРБЦИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ.................191
4.8 ПАРОЭЖЕКТОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ................194
4.9 ГАЗОВЫЕ КОМПРЕССИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ 197
4.10 ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ........................ 199
4.10.1 Компрессионные ТНУ.........................200
4.10.2 Пароэжекторные ТНУ.........................204
4.10.3 Воздушные ТНУ..............................204
4.11 КРИОГЕННЫЕ УСТАНОВКИ............................207
4.12 СОВМЕСТНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ТЕПЛОТЫ И ХОЛОДА...........211
4.13 ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ.............................212
Глава 5. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОТЫ
И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ....................215
5.1 ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОТЫ................................215
5.2 ТОПЛИВО..........................................215
5.2.1 Состав и основные характеристики топлива....215
5.2.2 Теплота сгорания топлива....................217
5.2.3 Подготовка органического топлива к сжиганию.218
5.2.4 Эксергия топлива............................219
5.3 ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЕ
УСТАНОВКИ............................................220
5.3.1 Печи химической технологии..................221
5.3.2 Топливные водяные парогенераторы............224
5.3.3 Котлы-утилизаторы...........................229
5.3.4 Топливные парогенераторы ВОТ................230
5.3.5 Парогенераторы ВОТ с электрообогревом.......230
5.3.6 Водогрейные агрегаты........................231
5.3.7 Топливные теплогенераторы ВОТ...............232
5.3.8 Теплогенераторы ВОТ с электрообогревом......233
5.3.9 Эксергетический анализ топливоиспользующих установок 234
Оглавление 4- 349
5.4 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ..............238
5.4.1 Системы теплоснабжения.......................238
5.4.2 Потребители теплоты..........................240
5.4.3 Режим теплопотребления.......................241
5.4.4 Методы регулирования тепловой нагрузки и параметров
теплоносителей................................243
5.4.5 Центральные тепловые пункты..................244
5.4.6 Местные тепловые пункты .....................245
5.4.7 Требования к теплоиспользующим установкам....246
Глава 6. ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ...........................247
6.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ....................................248
6.1.1 Виды ВЭР и направленния их использования.....249
6.1.2 Параметры тепловых ВЭР.......................250
6.1.3 Способы использования низкопотенциальных тепловых
ВЭР...........................................251
6.2 ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬ-
ЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ВЭР...................................252
6.3 СХЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ТЕПЛО-
ВЫХ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ..........................254
6.3.1 Утилизация теплоты низкотемпературных продуктов сго-
рания ........................................257
6.3.2 Утилизация теплоты сжатия в компрессорных установках 258
6.3.3 Утилизация теплоты горячих жидкостей.........259
6.3.4 Утилизация теплоты сбросных паровых потоков..264
6.3.5 Утилизация теплоты вторичного пара в выпарных уста-
новках .......................................265
6.3.6 Утилизация теплоты отработанного газа конвективных
сушильных установок...........................271
6.3.7 Утилизация теплоты в процессах ректификации..274
6.3.8 Утилизация теплоты вентиляционных выбросов...280
ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................283
1 Термодинамические свойства воды и водяного пара. Состо-
яние насыщения (по температурам)....................283
2 Термодинамические свойства воды и водяного пара. Состо-
яние насыщения (по давлениям).......................284
3 Вода и перегретый водяной пар ..................285
4 t — s диаграмма для диоксида углерода...........287
5 h — s диаграмма для водяного пара...............288
6 Т — s диаграмма для воздуха.....................290
350 ❖
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА
7 t — s диаграмма для аммиака.........................291
8 t — s диаграмма для фреона R-12.....................292
9 Теплоемкости газов (по C.JI. Ривкину)...............293
10 Основные физические свойства некоторых газов (паров) . . 294
11 Термодинамические свойства некоторых чистых веществ . . 295
12 Теплоты образования, кДж/моль, некоторых неорганиче-
ских веществ в растворе с различным числом молей воды п296
13 е — h диаграмма для воды и водяного пара ................297
14 е — h диаграмма для воздуха..............................298
15 е — h диаграмма для аммиака..............................300
16 е — h диаграмма для диоксида углерода....................301
17 е — h диаграмма для фреона R-12..........................302
18 Химическая эксергия элементов относительно наиболее ча-
сто встречающихся на практике веществ отчета.........303
19 Химическая эксергия наиболее часто встречающихся слож-
ных неорганических веществ..................................305
ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ....................................................306
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ................................................336
Список литературы...................................................343