Особенности процессов в газовых трансформаторах тепла
Применение в трансформаторах тепла рабочих тел, меняющих в ходе процесса агрегатное состояние (П↔Ж парожидкостные и Г↔Ж —газожидкостные), позволяет создать эффективные системы различного назначения.
Использование в части цикла конденсированного вещества позволяет сделать установки более компактными благодаря сравнительно малым расходам рабочего тела и высоким коэффициентам теплоотдачи при испарении и конденсации.
В случае необходимости обеспечиваются также изотермические условия внешнего подвода и отвода тепла. Кроме того, возможность замены без существенных потерь в ряде случаев расширительной машины — детандера дроссельным вентилем существенно упрощает установку.
Однако использование циклов с фазовыми переходами имеет и ряд недостатков:
1. Жестко фиксированное давлениеобратного потока, определяемое для данного рабочего тела температурой его испарения, а в парожидкостных системах и давление, определяемое температурой конденсации.
2. Ограниченный интервал рабочих температур и давлений, обусловливаемый для каждого рабочего тела либо параметрами критической и тройной точек, либо значением дроссель-эффекта. В некоторых интервалах температур вообще не существует жидких рабочих тел, а в других их свойства таковы, что они непригодны для технического использования (например, слишком низкие давления пара).
3. Во многих процессах внешнего охлаждения, в частности при ожижении газов, температура охлаждаемого тела непрерывно меняется при отводе тепла. В этом случае испарение хладо- или криоагентов при Т = const нецелесообразно; более выгодно подводить теплоккрио-агенгу в условиях, когда его температура также меняется. Тогда потери от необратимости при теплообмене между охлаждаемым веществом и рабочим телом будут наименьшими.
По этим причинам во многих отраслях техники применяют обратные циклы и квазициклы, в которых рабочее тело находится всегда в газообразном состоянии, как правило, при температурах выше критической (в некоторых случаях используются и температуры ниже критической при давлениях существенно более низких, чем критическое). Использование газа позволяет в принципе произвольно выбирать давления, работать в любом интервале температур и, наконец, обеспечить отвод тепла от объекта при любом законе изменения его температуры при охлаждении.
В газовых циклах применяются самые различные рабочие тела, наиболее часто используется гелий.
В газовых квазициклах в качестве рабочего тела обычно используется воздух, который по доступности и безопасности не имеет себе равных (исключая воду, которая используется как хладоагент в абсорбционных и пароэжекторных холодильных установках). В качестве метода внутреннего охлаждения во всех газовых трансформаторах тепла применяется только расширение с отдачей внешней работы. Дросселирование здесь не подходит, поскольку, оно малоэффективно.
Газовые теплонасосные, холодильные и криогенные установки по характеру протекающих в них процессов делятся на две группы.
К первой группе относятся такие системы, процессы в которых протекают непрерывно и стационарно. Процессы в таких установках основаны на классическом регенеративном цикле Джоуля, состоящем из двух изобар и двух адиабат, и его модификациях; для сжатия и расширения газа, как правило, используются машины кинетического действия (турбомашины).
Идеальные газовые циклы со стационарными процессами.
Рис. 1 – Идеальный газовый цикл без регенерации.
В идеальном цикле парожидкостного трансформатора тепла под-вод и отвод тепла к рабочему телу производятся при p=const и Т= = const, так как в области влажного пара однокомпонентного вещест-ва изотермы и изобары совпадают.
Только при использовании в качестве рабочего тела неазеотропной смеси ее температура при кипении воз-растает, а при конденсации падает.
Для газа изотермический и изо-барный процессы также существен-но различаются. Поэтому в газовых обратных циклах возможны два вида процессов, в которых производится внешний теплообмен — как изотермический, так и изобарный.
Процессы, не связанные с внешним теплообменом, могут быть либо из-энтропами (нерегенеративные циклы), либо любыми эквидистантными кривыми (регенеративные циклы).
Циклы без регенерации с подводом и отводом тепла по изобарам и изотермам
Цикл с изобарами (цикл Джоуля) представлен на Рис. 1. Цикл состоит из четырех процессов: 1-2 — изэнтропное сжатие в компрессоре с давления рп и темпера-туры Го, соответствующей требуемому уровню охлаждения, до дав-ления рm температура в конце сжатия достигает Т2>Т0.С при этом затрачивается работа; 2-3 — изобарное охлаждение в теплообменнике-холодильнике с Т2 до Гз = Г0.с; при этом в окружающую среду отводится количество тепла.
3-4 — изэнтропное расширение в детандере, при котором давление газа снова снижается до рп, а температура— до Т4<Т 0; газ производит внешнюю работу; 4-1 — изобарное нагревание в теплообменнике-нагревателе с Т4 до Т1 = То с подводом теплаQo от охлаждаемого тела.