Lewobieżny obieg gazowy Joule a a obieg parowy Lindego.

Transkrypt

1 Lewobieżny obieg gazowy Joule a a obieg parowy Lindego. Adam Nowaczyk IM-M Semestr II Gdaosk 2011

2 Spis treści 1. Obiegi termodynamiczne Obieg termodynamiczny Obieg prawobieżny Obieg lewobieżny Praca i ciepło obiegu Sprawnośd i efektywnośd obiegu lewobieżnego Obieg Joule a Parowy obieg Lindego Podsumowanie Literatura Spis ilustracji Strona 1

3 1. Obiegi termodynamiczne 1.1 Obieg termodynamiczny Obieg termodynamiczny jest obiegiem, cyklem czy szeregiem przemian termodynamicznych, po których czynnik termodynamiczny na początku i na koocu stan tego czynnika jest taki sam. Obraz geometryczny wykreślony przez przemianę jest linią zamkniętą. W obiegach termodynamicznych można wyróżnid 4 punkty charakterystyczne i są to: dwa punkty zwrotne (I i II) o linia ekspansji o linia kompresji dwa punkty adiatermiczne (A 1 i A 2 ) o przemianę w której ciepło jest doprowadzone do czynnika obiegowego z zewnątrz o przemianę w której ciepło wypływa od czynnika obiegowego Wyróżniamy obiegi prawo- i lewobieżne (Rysunek 1) Rysunek 1 Obiegi termodynamiczne na wykresie P-V Energia wewnętrzna układów jest niezmienna ( U=0) więc nie ma potrzeby uwzględniania jej w obliczeniach obiegów termodynamicznych. Strona 2

4 1.1.1 Obieg prawobieżny Najprościej pisząc jest to obieg w którym ciepło np. pobierane jest z paleniska kotła, wykonuje dodatnią pracę i oddaje ciepło do źródła o niższej temperaturze np. otoczenia. Zgodnie z układem prawobieżnym (Rysunek 2) pracują np. silniki ciepła. Rysunek 2 Schemat przenoszenia i przekształcenia energii przy realizacji obiegu prawobieżnego Obieg lewobieżny Obieg ten jest odwrotnością obiegu prawobieżnego, gdyż następuje w nim chłodzenie (Rysunek 3). Energia do układu doprowadzana jest na sposób pracy i na sposób ciepła, a wyprowadzone ciepo jest niższe niż doprowadzone Strona 3

5 Rysunek 3 Schemat przenoszenia i przekształcenia energii przy realizacji obiegu lewobieżnego Zgodnie z obiegiem lewobieżnym pracują pompy ciepła oraz ziębiarki. 1.2 Praca i ciepło obiegu Ciepło doprowadzone do układu zużywane jest na wykonanie pracy bezwzględnej i przyrost energii wewnętrznej układu. W układach termodynamicznych przyrost energii układu wewnętrznego równy jest zeru. Dzieje się tak ponieważ energia wewnętrzna po wykonaniu obiegu wraca do wartości początkowej. Wynika z tego, że prace obiegu można przyrównad do ciepła obiegu. Q ob =L ob W obiegu lewobieżnym aby obliczyd pracą obiegu trzeba: L ob =Q z -Q d Bilans układu lewobieżnego przedstawia się następująco: Strona 4

6 Rysunek 4 Praca układu lewobieżnego Na rysunku powyżej pokazano jak przedstawia się praca układów lewobieżnych oraz jaką daną uzyskamy obliczając pole na wykresie p-v. 1.3 Sprawnośd i efektywnośd obiegu lewobieżnego Sprawnośd jest to stosunek energrtycznego efektu użytecznego do kosztu uzyskania takiego efektu. Przy ocenie jakości działania obiegów lewobrzeżnych stosuje się pojęcie wydajności obiegu Ɛ. W ziębiarkach odbiera się ciepło z przestrzeni chłodzonej, kosztem doprowadzonej energii mechanicznej, dlatego wydajnośd liczymy ze wzoru: ; Z kolei w pompach ciepła doprowadza się ciepło do przestrzeni ogrzewanej kosztem doprowadzonej do pompy energii, a wydajnośd obiegu obliczyd można z zależności: ; 2. Obieg Joule a Obieg Joule a jest obiegiem lewobieżnym. Dla gazów jest to również obieg porównawczy chłodziarki gazowej. Jest on odwróconym co do kierunku, obiegiem Braytona Joule a (odtważa on w uproszczony sposób proces, jaki ma miejsce we współczesnych silnikach turbogazowych i turbospalinowych (rysunek 5)) Strona 5

7 Rysunek 5 Zespół urządzenia raealizującego obieg Braytona - Joule'a Jako że obieg gazowy Joule a realizowany jest w odwrotnym kierunku, składa się z 2 adiabat i 2 izobar. W trakcie przemian izobarycznej przy niskim ciśnieniu (Rysunek 6) do systemu doprowadzane jest ciepło z ciał, obiektów znajdujących się w np. chłodni. Z kolei w przemianie o wysokim ciśnienu P 3 =P 4 =const ciepło jest wyprowadzane z systemu do otoczenia przy jednoczesnym obniżeniu temperatury. Rysunek 6 Lewobieżny obieg Joule'a Strona 6

8 Wszystkie przemiany realizowane są w poszczególnych urządzeniach (rysunek 7). W takim układzie można wyróżnid 2 maszyny oraz 2 wymienniki. Warto zaznaczyd, że praca do napędu sprężarki jest mniejsza od doprowadzonej pracy do systemu o pracę rozprężarki. Czyli każda przemiana składowa obiegu realizowana jest w poszczególnych urządzeniach składowych systemu. W punkty węzłowe wykresu P-v na schemacie można znaleźd w przewodach łączących poszczególne urządzenia. Rysunek 7 Zespół urządzeo do realizacji obiegu Joule'a Wartośd energetyczna obiegu Joule a wynosi: ( ) Współczynnik wydajności chłodniczej: Wadą chłodziarek gazowych jest mała pojemnośd cieplna czynnika znaczna ilośd czynnika musi krążyd w obiegu. Niezbędne jest stosowanie rozprężarki. Strona 7

9 3. Parowy obieg Lindego W obieg Lindego składa się z trzech przemian równowagowych (rysunek8): izobaryczno izotermicznego parowania pary mokrej: 4-1 izentropowego sprężania pary suchej: 1-2 izobarycznego oziębiania pary przegrzanej do temperatury nasycenia i następnie skraplanie tej pary: 2-3 oraz z wybitnie nierównowagowego zjawiska jakim jest dławienie cieczy nasyconej od ciśnienia skraplania P 2 do ciśnienia parowania P 1. Rysunek 8 Przemiany lewobieżnego obiegu Lindego Na powyższych wykresach na odcinku dławienia 3-4 widoczna jest krzywa niedomknięta. Wyznaczenie stanu 4 ze stanu 3 odbywa się za pomocą podstawowej zależności dla dławienia h 3 =h 4. Strona 8

10 Na wykresie P-v lub T-s wystarczy znaleźd izentalpę h 3. W punkcie przecięcia jej z izobarą P 1 =P 4 powstanie stan 4. Na wykresach (rysunek 8) narysowana jest liną przerywaną ponieważ jest to linia pomocnicza, a nie krzywa reprezentująca następujące po sobie stany substancji roboczej. Obieg Lindego, jako że należy do grupy obiegów lewobieżnych, może byd obiegiem porównawczym dla chłodziarki i grzejnej pompy ciepła. Realizowany jest w agregacie składającym się ze sprężarki, 2 wymienników ciepła (skraplacza i parownika) oraz z zaworu dławiącego. Sprężarka zasysa parę czynnika ziębniczego (np. amoniaku) o ciśnieniu P1 i spręża ją do ciśnienia P2 podwyższając jednocześnie jej temperaturę ponad temperaturę nasycenia. Sprężona para następnie wędruje do skraplacza, w którym jej temperatura obniża się do temperatury nasycenia, w rezultacie następuje skroplenie się pary, która przepływa przez zawór dławiący, a otrzymana para nasycona o niskim stopniu suchości przechodzi do parowacza, w którym następuje całkowite jej odparowanie kosztem ciepła pobranego z przestrzeni ziębionej. Praca wykorzystana do napędu sprężarki jest pracą napędową całego układu Lindego. Zatem jednostkową pracę techniczną obiegu obliczyd można na podstawie następującej zależności: Ciepło doprowadzone i odprowadzone z układu obliczamy z równao przemiany izobarycznej: Sprawnośd obiegu chłodniczego, jest to sprawnośd termiczna: 4. Podsumowanie Oba opisywane obiegi są obiegami lewobieżnymi i zarazem obiegami porównawczymi. Największą różnicą obu obiegów jest stan skupienia substancji w układzie. U Lindego stan ten zmienia się, z kolei u Joule a pozostaje cały czas taki sam. W realizacji obu obiegów używa się sprężarki, następnie w obiegu Lindego dodatkowo skraplarki, zaworu dławiącego i parownika. Z kolei w obiegu Joule a dodatkowo do realizacji wykorzystuje się rozprężarkę oraz 2 parowniki. Za pomocą sprawnie działających obiegów można uzyskad ujemne temperatury w wyizolowanych pomieszczeniach. W obiegu Lindego popularnym czynnikiem chłodzącym jest czynnik o nazwie kodowej R134a, który pod ciśnieniem 1,013 bar wynosi -26 o C. popularnie stosowany w klimatyzacji domowej. Innym czynnikiem jest R22 prz tym samym ciśnienu uzyskuje temperaturę -40,7 o C. We wszystkich zjawiskach odwracalnych suma entropii wszystkich ciął biorących udział w zjawisku zachowuje wartośd stałą. Strona 9

11 5. Literatura 1. Pudlik W.: Termodynamika, Gdaosk, Politechnika gdaoska Sadłowska-Sałęga A.:Materiały pomocnicze do dwiczeo z przedmiotu: Termodynamika Techniczna, Kraków, Uniwersytet Rolniczy 3. lmal.zut.edu.pl/wyklady_i_cwiczenia/...obiegi/chlodziarki.doc 4. Stefanowski B., Technika bardzo niskich temperatur w zastosowaniu do skraplania gazów, PWN, Warszawa, Spis ilustracji RYSUNEK 1 OBIEGI TERMODYNAMICZNE NA WYKRESIE P-V... 2 RYSUNEK 2 SCHEMAT PRZENOSZENIA I PRZEKSZTAŁCENIA ENERGII PRZY REALIZACJI OBIEGU PRAWOBIEŻNEGO... 3 RYSUNEK 3 SCHEMAT PRZENOSZENIA I PRZEKSZTAŁCENIA ENERGII PRZY REALIZACJI OBIEGU LEWOBIEŻNEGO... 4 RYSUNEK 4 PRACA UKŁADU LEWOBIEŻNEGO... 5 RYSUNEK 5 ZESPÓŁ URZĄDZENIA RAEALIZUJĄCEGO OBIEG BRAYTONA - JOULE'A... 6 RYSUNEK 6 LEWOBIEŻNY OBIEG JOULE'A... 6 RYSUNEK 7 ZESPÓŁ URZĄDZEO DO REALIZACJI OBIEGU JOULE'A... 7 RYSUNEK 8 PRZEMIANY LEWOBIEŻNEGO OBIEGU LINDEGO... 8 Strona 10