- •Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Тепловые насосы»
- •Общие организационно-методические указания
- •Оглавление
- •Практическое занятие № 1 Изучение тепловых диаграмм хладагентов. Определение параметров точек и построение циклов в s-t и lgp-I диаграммах.
- •Контрольные вопросы и задания
- •Примеры
- •Практическое занятие № 2 Построение циклов и определение параметров точек цикла одноступенчатых парокомпрессионных термотрансформаторов.
- •Контрольные вопросы и задания:
- •Примеры:
- •Практическое занятие № 3 Построение циклов и определение параметров точек цикла многоступенчатых парокомпрессионных термотрансформаторов
- •Контрольные вопросы и задания
- •Примеры
- •Практическое занятие № 4 Тепловой расчет и подбор одноступенчатых и многоступенчатых компрессоров для термотрансформаторов
- •Корпус, 2 – ведущий ротор, 3- уплотнение, 4 – ведомый ротор, 5 – стакан, 6 – шарикоподшипник, 7 - подшипник скольжения, 8 - шестерня, 9 –разгрузочный поршень, 10 - золотник
- •Расчет одноступенчатого компрессора
- •Расчет многоступенчатого компрессора
- •Контрольные вопросы и задания
- •Практическое занятие № 5 Тепловой расчет и подбор теплообменных аппаратов для термотрансформаторов
- •Тепловой расчет и подбор испарителя
- •Контрольные вопросы и задания:
- •Примеры:
- •Параметры r717 (аммиак) при температуре насыщения
- •Продолжение
- •Продолжение
- •Продолжение
- •Параметры r22 при температуре насыщения
- •Продолжение
- •Параметры r12 при температуре насыщения
- •Продолжение
- •Параметры r134а при температуре насыщения
- •Параметры r404а при температуре насыщения
- •Список используемой литературы
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГОУ ВПО «МГТУ»)
Кафедра «Энергетики и транспорта»
Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Тепловые насосы»
для студентов специальности 140106 «Энергообеспечение предприятий»
очной, заочной и очно-заочной формы обучения
Мурманск 2010
Составитель – Попова О.М., ассистент кафедры энергетики и транспорта
Методические указания к практическим работам рассмотрены и одобрены на заседании кафедры энергетики и транспорта
название кафедры
протокол № .
дата
Рецензент - Ф.И.О. преподавателя, ученая степень, звание, должность
Общие организационно-методические указания
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Тепловые насосы» состоят из 5 разделов, в которых изложены теоретические основы, анализ процессов, методики расчета тепловых насосов (термотрансформаторов) в целом и отдельных элементов. Основное внимание уделено решению задач, т.е. применению теоретических положений курса к практическим условиям проектирования термотрансформаторов.
Особенность курса «Тепловые насосы» заключается в обеспечении подготовки инженера-энергетика в области холодильной техники. Курс "Тепловые насосы" базируется на предшествующих дисциплинах, к которым относятся термодинамика, гидравлика, теплопередача и тепломассообменное оборудование.
Студенты изучают курс по литературе, перечень которой приведен в конце методических указаний.
Оглавление
Практическое занятие № 1: Изучение тепловых диаграмм хладагентов. Определение параметров точек и построение циклов в s-T и lgp-i диаграммах.
Практическое занятие № 2: Построение циклов и определение параметров точек цикла парокомпрессионных одноступенчатых термотрансформаторов.
Практическое занятие № 3: Построение циклов и определение параметров точек цикла парокомпрессионных многоступенчатых термотрансформаторов.
Практическое занятие № 4: Тепловой расчет и подбор одноступенчатых и многоступенчатых компрессоров для термотрансформаторов.
Практическое занятие № 5: Тепловой расчет и подбор теплообменных аппаратов для термотрансформаторов.
Приложения
Список используемой литературы
Практическое занятие № 1 Изучение тепловых диаграмм хладагентов. Определение параметров точек и построение циклов в s-t и lgp-I диаграммах.
Термотрансформатор (TT) - энергетическая установка, применяемая для передачи энергии в форме тепла от объектов с более низкой температурой Тн (нижний источник тепла - НИТ) к теплоприемникам с более высокой температурой Тв (верхний источник тепла - ВИТ). В соответствии со вторым законом термодинамики преобразование энергии (повышение потенциала) происходит с затратой внешней энергии любого вида (электрической, механической, химической и др.). Данные процессы классифицируются по положению НИТ и ВИТ к температуре окружающей среды:
Если НИТ имеет температуру ниже температуры окружающей среды Тн < Тос, а Тв = Тос, то установки называются рефрижераторами или холодильниками. Предназначены для выработки холода, отвода в окружающую среду теплоты от тел, температура которых ниже температуры окружающей среды.
Если НИТ имеет температуру Тн Тос, то установки называются тепловыми насосами (ТН). Цель ТН - использование тепла окружающей среды или тепла от низкопотенциальных источников.
Если Тн Тос Тв, то установки называются комбинированными. Совмещает функции холодильной и теплонасосной установки.
Рисунок 1.1 – Трансформаторы тепла
Для осуществления процесса трансформации тепла применяются различного рода рабочие тела, термодинамические и физические свойства которых должны удовлетворять определенным требованиям, зависящим от назначения установки и ее схемы, температурных уровней нижнего и верхнего источников тепла, условий долговечности установки и безопасности ее обслуживания.
Рабочие тела могут представлять собой как однородные вещества, так и смесь веществ. В процессе работы трансформаторов тепла рабочие вещества подвергаются в большинстве случаев фазовым превращениям.
В качестве рабочих тел в трансформаторах тепла применяются:
холодильные агенты — вещества, имеющие при давлении 1 бар низкую температуру кипения to. Эта температура составляет у холодильных агентов от +80 до -130° С. При to=-30 ÷ +80 оС холодильные агенты используются в большинстве случаев в качестве рабочего тела в теплонасосных установках. При to=0÷-130 оС холодильные агенты обычно используются в установках кондиционирования воздуха и в установках умеренного холода;
воздух, а также газы и газовые смеси с низкими температурами кипения;
рабочие агенты и абсорбенты абсорбционных установок;
вода. Использование воды в качестве холодильного агента ограничивается сравнительно высокой температурой тройной точки (tт.т ≈0 оС). При данной температуре давление водяного пара составляет Рт.т =0,0063 бар и удельный объем υт.т= 206 м3/кг. Поэтому вода используется в установках кондиционирования воздуха, где температура нижнего источника tн≥ 0 оС. Вода также находит применение в установках абсорбционного и эжекционного типа.
Для определения параметров рабочего тела при расчетах циклов термотрансформаторов применяют таблицы хладагентов, а также тепловые диаграммы.
Наиболее распространенными являются диаграммы: энтропия – температура (s-T) и энтальпия - давление (i-р).
Диаграмма s-T. В диаграмме s-T по оси абсцисс откладывают значения энтропии s и проводят вертикальные линии постоянной энтропии (адиабаты); по оси ординат откладывают значения абсолютной температуры Т и проводят горизонтальные линии постоянных Т - изотермы. На полученную сетку из адиабат и изотерм наносят пограничные кривые, характеризующие состояние соответственно насыщенной жидкости (х = 0) и сухого насыщенного пара (х = 1). Между обеими пограничными кривыми расположена область влажного пара 2. Пограничная кривая х=0 отделяет от области влажного пара 2 область переохлажденной жидкости 1, а кривая х=1 - область перегретого пара 3 от влажного. На диаграмме нанесены линии постоянных паросодержаний x; постоянных давлений р - изобары; постоянных удельных объемов и - изохоры; постоянных энтальпий i - изоэнтальпы (рис. 1.2, а). Изобара в области влажного пара совпадает с изотермой, а в области перегретого пара круто поднимается вверх. Подведенное и отведенное количество теплоты, затраченная и полученная работа изображаются в диаграмме s-T площадями. Теплота, подведенная к телу в изотермическом процессе 1-2, соответствует площади 1-2-а-b, теплота, отведенная в изобарическом процессе 3-4, - площади 3-4-d-c (рис.1.2, б).
Рисунок 1.2 – Диаграмма s-T
Диаграмма lgp-i. Сетку диаграммы составляют горизонтальные линии - изобары и вертикальные линии - изоэнтальпы (рис. 1.3). Для удобства пользования диаграммой обычно по оси ординат применяют логарифмический масштаб (lg р). На диаграмме нанесены линии постоянных t, s, х и р. Преимуществом диаграммы i-p является то, что теплота и работа для адиабатического процесса в ней изображаются не площадями, а отрезками по оси абсцисс. Так, теплота, подведенная в изотермическом процессе 1-2, равна разности энтальпий (отрезок 1-2, рис. 1.3).
Рисунок 1.3 – Диаграмма lgp - i
Все процессы в термотрансформаторах происходят по обратному термодинамическому циклу. Наиболее простым и совершенным в термодинамическом отношении циклом термотрансформатора является обратный цикл Карно, который осуществляется с минимальной затратой работы.
Допустим, что в процессах теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты разности t бесконечно малы. На рис. 1.4 (а) изображена схема идеального термотрансформатора и обратный цикл Карно в диаграмме s-T (рисунок 1.5, а). В испарителе к рабочему телу подводится количество теплоты qн (изотермический процесс 4-1), отнимаемое от источника теплоты низкой температуры Tн (площадь 4-1-а-b). Рабочее тело испаряется при низком давлении ро и То. Пары рабочего тела сжимаются компрессором от начального давления ро до конечного рк (адиабатический процесс 1-2), при этом его температура повышается от Tо до температуры окружающей среды или источника высокой температуры Tк. На сжатие затрачивается работа lсж. Из компрессора сжатые пары рабочего тела поступают в конденсатор (изотермический процесс 2-3), где теплота qк (площадь 2-3-b-а) от рабочего тела отводится источнику высокой температуры Тк, а рабочее тело конденсируется при Тк и рк. Чтобы рабочее тело вновь могло отнимать теплоту от источника низкой температуры, оно должно адиабатически расширяться в детандере (процесс 3-4) от давления рк до pо; при этом его температура уменьшится от Тк до Tо, а рабочее тело совершает работу lр. Таким образом, в результате осуществления обратного цикла теплота qо отводится от источника низкой температуры То и передается источнику высокой температуры Тк. Для этого затрачивается работа цикла lц, равная разности затраченной в компрессоре и полученной в детандере работ: lц =lсж-lр
Рисунок 1.4 - Схема идеального трансформатора тепла (а) и обратный цикл Карно в диаграмме s—T (б)
Рисунок 1.5 - Обратные циклы Карно в диаграмме s—T:
а) холодильный, б) теплонасосный, в) комбинированный
В соответствии со вторым законом термодинамики тепловой баланс холодильной машины выражается равенством:
qо+ lц = qк (1.1)
Удельная массовая холодопроизводительность:
qo=i1-i4 (1.2)
Удельная работа сжатия:
lсж= i2 – i1 (1.3)
Удельная теплота, отводимая в конденсаторе
qк =i2 – i3 (1.4)
Удельная работа расширения:
lр= i3 – i4 (1.5)
Удельная работа цикла:
lц= lсж-lp (1.6)
Эффективность холодильного цикла
Эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом ε - отношением количества теплоты, отведенного от охлаждаемого источника, к затраченной работе:
ε= qо / lц (1.7)
Подставляя значение lц из выражения (1.1), получаем
ε= qо / (qк - qо ) =То / (Тк - - То ) (1.8)
Выражение (1.8) показывает, что холодильный коэффициент цикла Карно не зависит от физических свойств рабочего тела, а является лишь функцией температур То и Тк. Он тем больше, чем выше То и чем ниже Тк. В действительных условиях работы источником низкой температуры является охлаждаемое тело (воздух, вода, рассол, продукт, грунт и т. д.), источником высокой температуры - охлаждающая среда: вода или воздух.
Согласно (1.8), чем больше холодильный коэффициент, тем меньше работы затрачивается на получение единицы холода, т.е. выше экономичность работы холодильной машины. Исходя из этого, при проектировании холодильной установки необходимо стремиться к возможно наиболее высокой Tо и к более низкой Тк.
Рабочее вещество холодильного цикла называется холодильным агентом (хладагентом). Холодильные циклы реализуются в холодильных машинах.
Эффективность цикла теплового насоса
Эффективность цикла теплового насоса оценивается отношением полученной теплоты к затраченной работе, называемым коэффициентом преобразования или коэффициентом отопления:
μ = qк / lц (1.9)
Коэффициент преобразования характеризует затрату работы lц на получение единицы теплоты в заданных условиях. Его можно выразить через температуры путем подстановки в уравнение (1.9) вместо lц разности qк – qо:
(1.10)
Выражение (1.10) показывает, что чем выше температура нагреваемого тела Тк и ниже Тос, тем меньше коэффициент преобразования, следовательно, больше работы затрачивается на получение единицы теплоты. Из уравнения (1.1) путем деления обеих частей равенства на lЦ получим:
(1.11)
На рисунке 1.5 (в) показан обратный комбинированный цикл (теплофикационный). Состоит из двух циклов: холодильного 1-2-3-4 и теплового насоса 2-5-6-3. Обратный комбинированный цикл эффективнее двух отдельных циклов, так как в нем используется теплота на обоих температурных уровнях.
Степень термодинамического совершенства холодильного цикла оценивают путем сравнения его холодильного коэффициента с холодильным коэффициентом цикла Карно.
(1.12)