План
Теплові машини
.Значення теплових двигунів.
Принцип дії теплових двигунів.
Двигун Карно і його ККД.
Холодильна машина
Введення
Холодильна машина
Принцип дії компресійних холодильних машин
Принцип дії абсорбційних холодильних машин
Принцип дії пароежекторних холодильних машин
Принцип дії холодильних машин на вихрових охолоджувачах
Принцип дії термоелектричних холодильних машин
Теплові машини
Значення теплових двигунів. Найбільше значення має використання теплових двигунів(в основному потужніх парових турбін)на теплових електростанціях,де вони приводять у рух ротори генераторів електричного струму. Понад 80% усієї електроенергії в нашій країні виробляється на теплових електростанціях.
Теплові двигуни(парові турбіни)встановлюють також на атомних електростанціях. На цих станціях для добування пари високої температури використовується енергія атомних ядер. І на всіх основних видах сучасного транспорту переважно використовується теплові двигуни.
На автомобільному транспорті застосовують поршневі двигуни внутрішнього згоряння із зовнішнім утворенням пальної суміші (карбюраторні двигуни) та двигуни з утворенням пальної суміші безпосередньо всередині циліндрів(дизелі). Ці двигуни встановлюють також на тракторах,незамінних у сільському господарстві.
На залізничному транспорті до середини XX ст. Основним двигуном була парова машина. А тепер в основному використовують тепловози з дизельними установками й електровози. Але й електровози,зрештою,дістають енергію переважно від теплових двигунів електростанцій.
На водному транспорті використовують і двигуни внутрішнього згоряння,і потужні парові турбіни для великих судин.
В авіації на легких літаках установлюють поршневі двигуни,а на величезних лайнерах-турбореактивні й реактивні двигуни,які також належать до теплових двигунів. Реактивні двигуни встановлюють і на космічних ракетах
Принцип дії теплових двигунів
Внаслідок виконання над газом роботи або передачі йому певної кількості теплоти можна збільшити його внутрішню енергію і, напавки,за рахунок внутрішньої енергії газу може бути виконана механічна робота. Внутрішня енергія є одним з найдешевших видів енергії. Її дістають,спалюючи різні види палива,використовуючи енергію сонячних променів тощо. Разом з тим,на виробництві,транспорті,для роботи різних механізмів неоюхідна механічна енергія. Тому перетворення внутрішньої енергії в механічну є надзвичайно важливим для практичної діяльності людей. Здійснюється таке перетворення за допомогою теплових машин.
Як робоче тіло використовується газ(пара).Під час розширення газу в циліндрі з рухомим поршнем виконується робота і внутрішне енергія газу(головним чином кінетична енергія молекул) частково перетворюється в механічну енергію поршня. Газ може розширятися ізотермічно чи адіабатично. Щою при ізотермічному розширенні температура залишалася сталою,газові необхідно передавати кількість теплоти, що дорівнює її зміні внутрішньої енергії при розширенні і виконаній поршнем роботі. Під час адіабатичного розширення виконана рухомим поршнем робота дорівнює зменшенню внутрішньої енергії газу.
Очевидно, якщо здійснити спочатку розширення газу при деякому процесі,а потім стискання при цьому ж процесі,то в данному випадку не буде виконана корисна робота,оскільки додатна робота розширення газу дорівнюватиме від’ємній роботі стискання. Для одержання в результаті здійснення циклу корисної роботи необхідно розширити газу вести при високому тиску і температурі, а стискання при нижчому тиску й температурі. Французький фізик Саді Карно у 1824 році показав, що найбільш вигідним є цикл з двох процесів-ізотермічного й адіабатичного.
О
сновна ідея, яка лежить в основі будь-якого теплового двигуна, полягає в наступному: механічна енергія може бути отримана за рахунок теплової, тільки якщо дати можливість тепловій енергії переходити з області з високою температурою в область з низькою температурою, причому в процесі цього переходу частина теплової енергії може перейти в механічну роботу.В даний час використовується безліч теплових машин. Розглянемо два теплових двигуни - це паровий і внутрішнього згоряння
В основному використовується два парових двигуни: поворотного типу і парова турбіна.
У двигунах поворотного типу нагріта пара проходить через впускний клапан і потім розширюється в просторі під поршнем, змушуючи його тим самим рухатися. Потім, коли поршень повертається у вихідне положення, він витісняє пару через випускний клапан.
У парових турбінах власне кажучи відбувається теж саме. Відмінність полягає в тому, що зворотно-поступальний поршень замінений турбіною що нагадує гребне колесо.
Найбільш розповсюдженим двигуном зараз є чотиритактний двигун внутрішнього згоряння .
| | |
| |  |
На малюнку літерами позначені наступні процеси:
а. Суміш повітря з бензином всмоктується в циліндр, при русі поршня вниз.
б. Поршень рухається нагору і стискає суміш.
в. Іскра від свічі запалює суміш. При цьому температура суміші різко зростає.
г. Гази, що знаходяться при високих температурі і тиску, розширюються, переміщаючи при цьому поршень вниз (робітник хід двигуна).
д. гази, що відпрацювали, викидаються через випускний клапан; потім весь цикл повторюється.
Речовина, що нагрівають і прохолоджують (у парових машинах - пар), називають робочим тілом
Двигун Карно і його ККД.
На початку ХІХ століття процес перетворення теплоти в механічну роботу докладно вивчав французький учений Н.Л. Сади Карно (1796-1832). Він мав намір визначити способи підвищення ККД теплових машин, однак дослідження привели до вивчення основ термодинаміки.
Як допоміжний засіб для своїх досліджень він на папері винайшов ідеалізований тип двигуна, що тепер прийнятий називати двигуном Карно.
У цьому двигуні відбуваються оборотні процеси, тобто виконуються надзвичайно повільно, так що його можна розглядати, як послідовний перехід від одного рівноважного стану до іншого, причому цей процес можна провести в зворотному напрямку без зміни зробленої роботи і переданої кількості теплоти. Наприклад газ, який знаходиться в циліндрі з щільно притиснутим до стінки поршнем, що не має тертя, можна зжати ізотермічно, якщо стиск робити дуже повільно. Однак якщо в процесі беруть участь які-небудь ще фактори, наприклад тертя, то робота зроблена в зворотному напрямку не буде дорівнює зробленої при стиску. Цілком природно, що оборотні процеси неможливі, оскільки на їхнє здійснення буде потрібно нескінченно багато часу. Але проте такі процеси можна моделювати з як бажаною точністю. Усі реальні процеси необоротні, тому що можуть бути присутнім: тертя, у газах - збурювання і багато інших факторів.
Закон збереження й перетворення енергії для циклу Карно полягає в тому,що енергія,одержана робочим тілом від навколишнього середовища,дорівнює енергії,переданій. Двигун Карно заснований на оборотному циклі, тобто на послідовності оборотних процесів.
У
двигуні Карно використовується однойменний цикл У крапці а початковий стан системи. Спочатку газ розширюється ізотермічно й оборотно по шляху ab при заданій температурі TH, наприклад газ приходить у контакт із термостатом, що має дуже велику теплоємність. Потім газ розширюється адіабатично й зворотньо по шляху bc, при цьому передача теплоти практично не відбувається і температура газу падає до більш низького значення TL.Холодильна машина
Введення
Холодильна техніка - це наукова дисципліна і галузь техніки, що охоплює методи отримання та використання низьких температур (холоду) для виробництва та зберігання харчових продуктів.
Використання холодильної техніки дозволяє зберігати властивості харчових продуктів, а також одержувати харчові продукти з новими властивостями.
Без холодильної техніки неможливо забезпечити зростаюче населення якісними харчовими продуктами. У процесі виробництва і збільшення обсягів реалізації харчових продуктів важлива роль холодильної техніки, яка дозволяє:
створювати запаси швидкопсувних харчових продуктів у широкому асортименті;
збільшувати тривалість зберігання заморожених харчових продуктів;
продавати харчові продукти сезонного виробництва рівномірно протягом року;
знижувати товарні втрати при зберіганні і транспортуванні продовольчих товарів;
впроваджувати прогресивні методи надання послуг населенню підприємствами торгівлі і громадського харчування.
Холодильна машина - пристрій, що служить для відводу теплоти від охолоджуваного тіла при температурі нижчій, ніж температура навколишнього середовища. Процеси, що відбуваються в холодильних машинах, є окремим випадком термодинамічних процесів, тобто таких, в яких відбувається послідовна зміна параметрів стану робочого речовини: температури, тиску, питомої обсягу, ентальпії. Холодильні машини працюють за принципом теплового насоса - віднімають теплоту від охолоджуваного тіла і з витратою енергії (механічної, теплової і т. д.) передають її охолоджуючої середовищі (зазвичай воді або навколишньому повітрю), що має більш високу температуру, ніж охолоджуване тіло. Холодильні машини використовуються для отримання температур від 10 ° С до -150 ° С. Область нижчих температур відноситься до кріогенної техніки. Робота холодильної машини характеризується їх холодопродуктивністю.
Перші холодильна машина з'явилися в середині XIX ст. Одна з найстаріших холодильних машин - абсорбційна. Її винахід і конструктивне оформлення пов'язано з іменами Дж. Леслі (Великобританія, 1810), Ф. Карре (Франція, 1850) і Ф. Віндхауза (Німеччина, 1878). Перша парокомпресійна машина, яка працювала на ефірі, побудована Дж. Перкінс (Великобританія, 1834). Пізніше були створені аналогічні машини з використанням в якості холодоагенту метилового ефіру і сірчистого ангідриду. У 1874 К. Лінде (Німеччина) побудував аміачну парокомпресійна холодильну машину, яка поклала початок холодильного машинобудування.
В основі роботи холодильників лежить холодильний цикл. Простий паровий цикл механічної холодильної машини реалізується за допомогою чотирьох елементів, що утворюють замкнутий холодильний контур, - компресора, конденсатора, дросельного вентиля і випарника або охолоджувача (рис. 1). Пара з випарника поступає в компресор і стискається, внаслідок чого його температура підвищується. Після виходу з компресора пар, що має високі температуру і тиск, надходить у конденсатор, де охолоджується і конденсується. У деяких конденсаторах використовується режим переохолодження, тобто подальше охолодження сконденсировавшейся рідини нижче її температури кипіння. З конденсатора рідина проходить через дросельний вентиль. Оскільки температура кипіння (насичення) для даного тиску виявляється нижче температури рідини, починається її інтенсивне кипіння; при цьому частина рідини випаровується, а температура решти опускається до рівноважної температури насичення (тепло рідини витрачається на її перетворення в пару). Процес дроселювання іноді називають внутрішнім охолодженням або самоохлажденіем, оскільки в цьому процесі температура рідкого хладагента знижується до потрібного рівня. Таким чином, з дросельного вентиля виходять насичена рідина і насичений пар. Насичена пара не може ефективно відводити тепло, тому він перепускается повз випарника і подається прямо на вхід компресора. Між дроселем і випарником встановлений сепаратор, в якому пар і рідина розділяються.
Рис. 1. Схема холодильного циклу.
Принцип дії компресійних холодильних машин
Компресійні холодильники - найбільш поширені та універсальні. Основними складовими частинами такого холодильника є:
компресор, який одержує енергію від електричної мережі;
конденсатор, що знаходиться зовні холодильника;
випарник, що знаходиться всередині холодильника;
терморегулюючий розширювальний вентиль, ТРВ, що є дросселирующим пристроєм;
холодоагент, що циркулює у системі речовина з певними фізичними характеристиками.
До всіх елементів холодильної машини ставиться вимога високої герметичності. Залежно від виду холодильного компресора компресійні машини поділяються на поршневі, турбокомпресорним, ротаційні і гвинтові.
Холодоагент під тиском через дросселирующее отвір (капіляр або ТРВ) надходить у випарник, де за рахунок різкого зменшення тиску відбувається випаровування рідини і перетворення її в пару. При цьому холодоагент віднімає тепло у внутрішніх стінок випарника, за рахунок чого відбувається охолодження внутрішнього простору холодильника.
Компресор засмоктує з випарника холодоагент у вигляді пари, стискає його, за рахунок чого температура холодоагенту підвищується й виштовхує в конденсатор.
У конденсаторі, нагрітий у результаті стиску холодоагент остигає, віддаючи тепло в зовнішнє середовище, і конденсується, тобто перетворюється в рідину. Процес повторюється знову.
Таким чином, у конденсаторі хладагент під впливом високого тиску конденсується і переходить в рідкий стан, виділяючи тепло, а в випарнику під впливом низького тиску скипає і переходить в газоподібний, поглинаючи тепло.
Терморегулюючий вентиль (ТРВ) необхідний для створення необхідної різниці тисків між конденсатором і випарником, при якій відбувається цикл теплопередачі. Він дозволяє правильно (найбільш повно) заповнювати внутрішній обсяг випарника скипів холодоагентом. Пропускний перетин ТРВ змінюється в міру зниження теплового навантаження на випарник, при зниженні температури в камері кількість циркулюючого хладагента зменшується. Капіляр - це аналог ТРВ. Він не змінює своє розтин, а дроселює певну кількість хладагента, залежне від тиску на вході і виході капіляра, його діаметру і типу холодоагенту.
Звичайно також присутній теплообмінник, що вирівнює температуру на виході з конденсатора і з випарника. У результаті до дроселя надходить уже охолоджений холодоагент, який потім ще сильніше охолоджується в випарнику, в той час як холодоагент, що надійшов з конденсатора підігрівається, перш ніж вступити в компресор і конденсатор. Це дозволяє збільшити ефективність холодильника.
При досягненні необхідної температури температурний датчик розмикає електричний ланцюг і компресор зупиняється. При підвищенні температури (за рахунок зовнішніх факторів) датчик знову включає компресор.
Для підвищення економічної ефективності холодильної машини (зниження витрат енергії на одиницю забраного від охолоджуваного тіла кількості теплоти) іноді перегрівають пар, усмоктуване компресором, і переохолоджувати рідина перед дроселюванням. З цієї ж причини для отримання температур нижче -30 ° С використовують багатоступеневі або каскадні холодильні машини.
У багатоступеневих холодильних машин стиснення пара проводиться послідовно в декілька ступенів з охолодженням його між окремими ступенями. При цьому в двоступеневих холодильних машинах отримують температуру кипіння холодоагенту до -80 ° С.
У каскадних холодильних машинах, що представляють собою кілька послідовно включених холодильних машин, які працюють на різних, найбільш придатних за своїми термодинамічним властивостям для заданих температурних умов холодоагентах, отримують температуру кипіння до -150 ° С.
Принцип дії абсорбційних холодильних машин
Робочим речовиною в абсорбційних холодильниках служать розчини двох компонентів з різними температурами кипіння при однаковому тиску. Компонент, киплячий при більш низькій температурі, виконує функцію хладагента; другий служить абсорбентом. В області температур від 0 до -45 ° С застосовуються машини, де робочою речовиною служить водний розчин аміаку (холодоагент - аміак). При температурах охолодження вище 0 ° С переважно використовують абсорбційні машини, що працюють на водному розчині броміду літію (холодоагент - вода).
У абсорбційних системах зберігаються конденсатор, дросельний вентиль і випарник, але замість компресора використовуються чотири інших елемента: абсорбер, насос, парогенератор (кип'ятильник) і редукційний клапан. Пара з випарника потрапляє в абсорбер. Там він стикається з абсорбуючій рідиною, яка поглинає знаходиться в паровій фазі холодоагент; тиск в абсорбері при цьому знижується, що забезпечує безперервне надходження пара з випарника. У процесі абсорбції відбувається виділення тепла, отже, абсорбер повинен охолоджуватися, наприклад, за рахунок циркуляції води. Холодна суміш абсорбуючій рідини і хладагента надходить у насос, в якому її тиск підвищується. Оскільки підвищення тиску рідини супроводжується лише незначною зміною її обсягу, необхідна для цього робота мала. Після виходу з насоса холодна рідина високого тиску надходить в кип'ятильник, де до неї підводиться тепло, і велика частина холодильного агента випаровується. Цей помірно перегрітий пар високого тиску проходить через конденсатор і робить звичайний холодильний цикл, а абсорбент охолоджується і повертається в абсорбер (через редукційний клапан) для повторення циклу. Дійсний абсорбційний цикл відрізняється від ідеального тим, що частина абсорбенту випаровується в кип'ятильнику і несеться разом з парами хладагента. Якщо його не відокремити від хладагента до входу у випарник, то це призведе до підвищення температури у випарнику, або на практиці тиск у випарнику буде значно менше тиску насичення при тій температурі, яка повинна бути у випарнику. Відділення абсорбенту від хладагента частково відбувається в сепараторі, що розташований між конденсатором і кип'ятильником і служить для конденсації абсорбенту та повернення його в кип'ятильник разом з невеликою кількістю супутнього хладагента. Механічна робота абсорбційних холодильних установок значно менше, ніж компресійних, проте загальні витрати енергії значно вище. Енергія, яка підводиться до кип'ятильник, багато більше тієї, яка відводиться від абсорбера охолоджуючої водою. Там, де електроенергія дорога, а теплова енергія і охолоджуюча вода дешеві, абсорбційні установки більш вигідні, ніж компресійні. Застосування абсорбційних машин вельми вигідно на підприємствах, де є вторинні енергоресурси (відпрацьований пар, гаряча вода, гази, що відходять промислових печей.
Принцип дії пароежекторних холодильних машин
Спосіб отримання холоду без здійснення механічної роботи полягає в ежекції пара з випарника. У такій установці холодоагентом є вода, тому температура в холодильній камері не може бути нижче 0 ° С.
Пароежекторні холодильник складається з ежектора, випарника, конденсатора, насоса і ТРВ. Холодоагентом служить вода, як джерело енергії використовується пар тиском 0,3-1 МН / м 2, який надходить в сопло ежектора, де розширюється. У результаті в ежектор і, як наслідок, у випарнику машини створюється знижений тиск, якому відповідає температура кипіння води трохи вище 0 ° С (зазвичай близько 5 ° С). У випарнику за рахунок часткового випаровування відбувається охолодження подається споживачеві холоду води. Отсосала з випарника пар, а також робочий пар ежектора надходить у конденсатор, де переходить у рідкий стан, віддаючи теплоту охолоджуючої середовищі. Частина води з конденсатора подається у випарник для поповнення убутку охолоджувальної води.
Пароежекторні установки знаходять застосування в промисловості, там, де є пара високого та середнього тиску і дешева вода для охолодження. Ці установки використовуються також на суднах, оскільки невелике число рухомих частин спрощує їхнє обслуговування і ремонт.
Принцип дії холодильних машин на вихрових охолоджувачах
Охолодження здійснюється за рахунок розширення попередньо стисненого компресором повітря в блоках спеціальних вихрових охолоджувачів.
Поширення не одержав з-за великої гучності, необхідності підведення стисненого (до 10-20 Атм) повітря і дуже великої його витрати, низького ККД. Переваги - більша безпека використання, так як не використовується електрика і немає ні рухомих механічних частин, ні небезпечних хімічних сполук в конструкції; довговічність, надійність.
Повітряно-розширювальні холодильні машини відносяться до класу холодильно-газових машин. Холодоагентом служить повітря. В області температур приблизно до -80 ° С економічна ефективність повітряних машин нижча, ніж парокомпресійна. Більш економічними є регенеративні повітряні холодильні машини, в яких повітря перед розширенням охолоджується або в противоточному теплообміннику, або у теплообміннику-регенераторі. У залежності від тиску використовуваного стисненого повітря повітряні холодильні машини підрозділяються на машини високого та низького тиску. Розрізняють повітряні машини, що працюють по замкненому і розімкненим циклом.
Принцип дії термоелектричних холодильних машин
Термоелектричний холодильник будується на елементах Пельтье, безшумний, але великого розповсюдження не отримав через дорожнечу охолоджуючих термоелектричних елементів. Тим не менш, сумки-холодильники, невеликі автомобільні холодильники та кулери питноїводи часто робляться з охолодженням від елементів Пельтье.
Термоелектричний холодильник працює на основі ефекту Пельтье, який полягає у виділенні або поглинанні теплоти при проходженні електричного струму через спай термопари.
Тривалий час ефект термоелектричного охолодження не застосовувався на практиці через відсутність достатньо ефективних матеріалів термоелементів. Лише після ряду відкриттів в області напівпровідникової техніки з'явилася можливість ефективно використовувати це явище.
Холодильний ефект від двох спаїв невисокий, тому провідники і спаї об'єднують в модулі. Перепад температур між холодним і гарячим спаями може становити 60…70 оС, а у випадку каскадного підключення модулів досягати 150 оС.
| |
| Рис.2.Принципова схема термоелектричного холодильного блока 1 – об'єкт охолодження; 2, 3 – напівпровідники різного типу; 4 – електропровідники; 5 – електроізолятор; 6 – нагрітий елемент; 7 – джерело живлення |