книги / Эксергетические расчеты технических систем

Таблица 4.3. Основные параметры в узловых точках процесса расширения воздуха

Расширение в хладотехнике может сопровождаться как отводом работы и теплопритоком, так и проходить без отвода или подвода энергии. В этих слу­ чаях адиабатный КПД имеет ограниченное применение, так как характеризу­ ет работу только адиабатного детандера. Целесообразнее эти процессы оцени­ вать по эксергетическому КПД.

Эксергия рабочего тела состоит из двух составляющих — связанной с давлением ери связанной с температурой ет. При расширении в области низких температур первая составляющая уменьшается, а вторая увеличивается. Так как процессы в хладотехнике используются для понижения температуры (оно происходит за счет снижения давления), эксергетический КПД этих про­ цессов равен отношению изменения эксергии, связанному с температурой, к изменению эксергии, связанному с давле­

Числитель выражения (4.42а) — увеличение эксергии, связанной с охлажде­ нием от температуры 7\ до Т3, или эксергетическая холодопроизводительность расширения. В знаменателе выражений (4.42а) и (4.43а) стоит разность эксергий для случая, когда эксергетическая холодопроизводительность ея отводится от охлаждаемого объекта и рабочее тело снова принимает температуру 7\. Выражения (4.42а) и (4.43а) проще для вычислений, чем (4.42) и (4.43). Так, для приводимого выше примера:

е4 = 1844 кДж/кг и ть = 2067~ 2ю о - ш ! ~ Ш 100 = 70,4 %-

Если внешняя работа теряется, то / = 0 и эксергетический КПД составляет

В неадиабатном детандере точка, соответствующая концу процесса, может находиться на изобаре р2 в любом месте — от s = idem до Т1 = idem, т. е. между точками 2 и 4 (см. рис. 4.22). Работа / может быть определена путем из­ мерений или по энергетическому балансу. Для оценки работы такого детан­ дера могут использоваться выражения (4.43) и (4.43а). При изотермическом

расширении идеального газа работа / = ке\л т —. Неадиабатный детандер

* о.с

в принципе всегда более выгоден для термостатирования низкотемператур­ ных объектов, чем адиабатный [74].

Дросселирование широко применяется в хладотехнике для получения полезного эффекта — охлаждения рабочего тела при положительном значении дроссель-эффекта.

Однако в теплотехнике дросселирование приводит к обратному результату даже при отрицательном значении дроссель-эффекта (относительно небольшое повышение температуры может быть эффективнее достигнуто другим путем), и значение КПД такого процесса не имеет смысла. В хладотехнике процесс дросселирования, как уже говорилось, сопровождается положительным эффек­ том, и, следовательно, целесообразно ввести понятие КПД такого процесса.

линией 1—6. Эксергетический КПД такого процесса, определяемый отноше­ нием

ное состояние которых соответствует точке на левой пограничной кривой, осо­

ния, по Диаграммам, приводимым в [166], находится на правой пограничной

Если точка, соответствующая началу процесса дросселирования, лежит на левой пограничной кривой, то КПД резко возрастает. В этом случае при тех же начальных параметрах, но при ех = 0 и hx = 398 кДж/кг, Ав = hx = = 398 кДж/кг, гб = —32,6 кДж/кг (при р = 0,3 МПа). Температура в конце дросселирования составит 208 К. КПД процесса

В хладотехнике используются вихревые трубы, в которых под влиянием эффек­ та Ранка — Хильша происходит расширение с температурным разделением потока газа [165]. При этом часть газа охлаждается, а часть нагревается за счет отвода энергии от охлаждаемого газа. На рис. 4.24 приводится схема по­ токов в вихревой трубе, а на рис. 4.25 графически изображен процесс расшире­ ния на е, A-диаграмме. Эксергетический баланс процесса

Здесь g — расход охлаждаемого агента (воды); d — потери эксергии. Обычно охлаждающая вода полезно не используется, поэтому эксергетический КПД процесса

В такой записи предполагается, что при параметрах окружающей среды е = 0. Если эксергия в этом состоянии составляет е0, то

Если горячий поток с температурой Т2 не используется, то второй член в вы­ ражениях (4.46) и (4.46а) принимается равным нулю. Низкие значения эксергетических КПД для вихревых труб, полученные [163] в результате испытаний на воздухе и в метане, свидетельствуют о целесообразности использования вих­ ревых труб лишь в условиях, когда другие методы получения холодного по­ тока газа по тем или иным причинам применять нельзя.

Как в хладотехнике, так и в теплотехнике достаточно широко применя­ ются струйные эжекторы, в частности работающие на водяном паре. В таком эжекторе поток рабочего пара А (рис. 4.26), имеющего высокое давление ри

Процессы, проходящие в пароструйном эжекторе, графически представлены на е, ft-диаграмме (рис. 4.27). Положение точки 3 может быть определено из энер­

Обычно эта величина не превосходит 8—12 % [163].

Несколько иначе проходит процесс в пароструйном инжекторе, где паром подсасывается жидкость. В результате конденсации водяного пара в струе

Рис. 4.26. Схема пароструйного эжектора:

1 сопло; 2 — диффузор

Рис. 4.27. Процесс в эжекторе на е9 /г-диа- грамме

е

5

Рис. 4.28. Схема теплообмена между двумя потоками:

а — противоток; б — прямоток

Рис. 4.29. Изменение состояния рабо­ чих тел в теплообменнике в et h-ma- грамме при противотоке

жидкости при соответствующей конфигурации камеры смешения происходит скачок уплотнения, который приводит к тому, что давление жидкости становит­ ся выше давления пара. В этом случае точка смешения также находится из

выражения (4.47) (линия 1—4), но линия 5(1)—5 идет вверх. КПД такого ин­ жектора выше.

Теплообмен. Процесс теплообмена при конечной разности температур

мы позволяет выделить из общей потери эксергии d потери, связанные с гид­ равлическими сопротивлениями. На рис. 4.29 на е, /г-диаграмме графически представлен процесс теплообмена в соответствии со схемой на рис. 4.28, а. Поток газа А нагревает поток газа В. При этом процесс охлаждения газа А

Т1> Т2> Т3. Суммарная потеря эксергии слагается из потерь эксергии в каждом потоке. При этом потеря эксергии газа А (греющего)

Поскольку газ В нагревается, то температурная составляющая изменения эк­ сергии положительна. В результате суммарная потеря эксергии

d = е 1— + — et = Аетл + АерА + АеРв — Аетв,

или

d = (АерА+ Аерв) + (Аетл — Аетв)-

Действительные потери от гидравлических сопротивлений выше, чем сумма Авр = АерА + АерВ, поскольку для их преодоления затрачивается работа

торе энергетической установки, работающей на диоксиде углерода, поток низ­

При этом потери эксергии, связанные с гидравлическими сопротивления­ ми для греющего потока (газ А) в соответствии с рис. 4.29 определяются как ДерА = еа — е2= —31,4— (—40,6) =9,2 кДж/кг (здесь еа = —31,4 кДж/кг

согласно рис. 4.29). Суммарная потеря эксергии этого потока составляет:

«—» означает, что при нагреве температурная составляющая эксергии повы­

Суммарная потеря эксергии, связанная с гидравлическими сопротивлениями для теплообменника,

D p = А Е р Л + АЕрВ = 9,2 + 4,14 = 13,34 кДж.