Циклы холодильных установок и теплотрансформаторов

Обратный цикл Карно. Холодильный коэффициент и эксергетический КПД. Требования, предъявляемые к рабочим телам холодильных установок. Схема и теоретический цикл газовой холодильной установки. Способы увеличения эксергетического КПД и холодопроизводительности. Принципиальная схема и цикл парокомпрессионной холодильной установки.

Пароэжекторная холодильная установка. Абсорбционная холодильная установка. Принципиальные схемы и изображение циклов в р-v и T-s - диаграммах.

Принципиальная схема теплового насоса. Понятие о коэффициенте теплоиспользования.

Методические указания

При изучении циклов различных холодильных установок нужно обратить внимание на то, что как для тепловых двигателей, так и для холодильных машин эталоном является цикл Карно. Термический КПД любого цикла сравнивается с КПД цикла Карно в этих же пределах температур. Для холодильных установок холодильником является внешняя атмосфера или вода, у которой температура ниже температуры холодильника, а источником теплоты - содержимое холодильной камеры, у которого температура выше хладоагента. Поэтому эквивалентным циклом Карно для холодильной установки будет цикл, осуществляемый- между температурами холодильника (воздух, вода) и источника (охлаждаемый объем холодильной камеры). Знание классификации и принципиальных схем Холодильных установок позволяет правильно выбирать соответствующий тип холодильной установки. Усвоив учебный материал, студент сможет анализировать с помощью T-s- диаграммы работу и расчеты этого цикла. В паровой компрессионной холодильной установке не применяется расширительный цилиндр (детандер), а рабочее тело дросселируется в регулировочном вентиле. Это ведет к потере холодопроизводительности, но, упрощая установку, позволяет легко регулировать давление пара и получать низкую температуру в охладителе. Тепловые насосы также работают по обратному циклу. В них теплота, забираемая от окружающей среды, с помощью затраченной работы повышает энергетический уровень рабочего тела и при более высокой температуре отдается внешнему потребителю. Необходимо понять принципиальную схему и работу теплового насоса и уяснить понятие коэффициента теплоиспользования. [4, с. 344-367].

Вопросыдля самопроверки

1. Классификация холодильных установок.

2. Что называется холодильным коэффициентом?

3. Приведите принципиальную схему воздушной холодильной установки и опишите ее работу.

4. Изобразите идеальный цикл воздушной холодильной установки и опишите процессы, осуществляемые в ней.

5. Приведите принципиальную схему работы паровой компрессионной холодильной установки и опишите ее работу.

6. Чем отличается работа теплового насоса от работы холодильных установок?

Элементы химической термодинамики

Первое начало термодинамики в термохимии. Тепловой эффект реакции. Закон Гесса и его следствия. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Стандартный тепловой эффект. Второй закон термодинамики в термохимии. Закон действующих масс. Степень диссоциации. Термодинамические свойства диссоциирующих газов. Константа равновесия и максимальная работа реакции. Зависимость константы равновесия от давления и температуры. Тепловая теорема Нернста. Абсолютная энтропия. Стандартные значения термодинамических функций веществ.

Методические указания

При изучении настоящей темы следует обратить внимание на сходство математических выражений, описывающих первое начало термодинамики для физических и химических процессов изменения состояния, на различие в тепловом эффекте реакции, возникающем в зависимости от того, идет ли процесс при p=const или при v=const.

Весьма существенным для усвоения материала данной темы является правильное понимание закона Гесса, устанавливающего независимость теплового эффекта химической реакции от ее промежуточных стадий.

Необходимо разобраться в таких фундаментальных понятиях, как химически обратимые и необратимые реакции, причем химическую обратимость не следует смешивать с термодинамической обратимостью.

При изучении приложения второго закона термодинамики к химическим процессам следует хорошо разобраться в существе характеристических функций и их свойствах, а также усвоить понятие максимальной работы.

Для понимания равновесия химических реакций чрезвычайно важно разобраться в законе действующих масс.

Очень существенна с принципиальной точки зрения так называемая тепловая теорема Нернста, следствием которой является возможность вычисления абсолютного значения энтропии и свободной энергии. [1, гл. 15, с. 382 - 407].

Вопросы для самопроверки

1. В чем смысл и практическое значение закона Гесса?

2. Что такое константа равновесия и в чем ее практическое значение?

3. Что такое обратимая и необратимая химические реакции?

4. Что такое максимальная полезная работа реакции?

5. В чем сущность закона действующих масс?

6. Как влияет температура на константу равновесия, на скорость химической реакции?

7. Что такое эндотермическая и экзотермическая реакции?

8. Сущность тепловой теоремы Нернста и ее практическое значение.

Методы непосредственного преобразования теплоты в электроэнергию

Методы непосредственного преобразования теплоты в электроэнергию. Схема, цикл и КПД установки с магнитогидродинамическим генератором. Термоэлектрические генераторы и их КПД. Термодинамические основы преобразования энергии в топливных элементах.

Методические указания

При изучении раздела «Паротурбинные установки» было установлено, что термический КПД цикла даже самой совершенной схемы не превышает 45 – 50 % теплоты сжигаемого топлива, т. е. 55 - 50 % теплоты рассеивается в окружающую среду. Поэтому понятно стремление изыскать такие способы получения электроэнергии, которые позволили бы существенно повысить эффективность процесса. Наиболее перспективным для крупной энергетики является способ преобразования энергии топлива в электроэнергию, осуществляемый в МГД - генераторах с последующим использованием тепла отходящих газов из генератора в паросиловом цикле. Необходимо уяснить, что повышение при этом общего термического КПД установки до 65 - 70 % обусловлено использованием большего температурного интервала, чем в обычном паросиловом цикле, за счет повышения начальной температуры рабочего тела (1500 °С и выше).

Большой интерес представляет способ преобразования энергии в термоэлектрических генераторах, термоэлектронных преобразователях и электрохимических генераторах. В последних, даже в реальных условиях, КПД может быть получен близким к единице.

Следует разобраться в термодинамических основах процессов прямого преобразования энергии рабочего тела в электроэнергию и представлять себе принцип действия установок, в которых протекают эти процессы. [1, гл. 12, с. 325-344].

Вопросы для самопроверки

1. Что положено в основу принципа работы МГД - генератора?

2. Почему при пользовании МГД - генератора можно получить высокие значения КПД?

3. Опишите схему и цикл установки с МГД генератором.

4  На каком принципе основана работа термоэлектрических генераторов?

5. От чего зависит КПД термоэлектрических генераторов и каково его примерное значение?

6 На каком принципе основана работа термоэлектронного преобразователя?

7.  Что называют топливным элементом?

8.  Принцип действия топливного элемента.

9.  Какой максимальный КПД можно получить в топливном элементе и почему?