научная статья по теме ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ АБСОРБЦИОННОГО ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ АБСОРБЦИОННОГО ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2009, том 43, № 6, с. 658-664

УДК 536.755

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ АБСОРБЦИОННОГО ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА

© 2009 г. А. М. Цирлии, И. Н. Григоревский, Д. В. Зубов

Институт программных систем им. А.К. Айламазяна РАН, г. Переславлъ-Залесский, Ярославская область tsirlin@sarc.botik. ги Поступила в редакцию 03.04.2008 г., после доработки 02.03.2009 г.

На основе термодинамических балансов по энергии и энтропии получена связь затрат энергии на охлаждение и теплового отношения для абсорбционной холодильной машины с ее режимными и конструктивными переменными. Найдена предельная хладопроизводительность машины и соответствующее ей значение теплового отношения. Решена задача об оптимальном распределении поверхностей теплообмена.

ВВЕДЕНИЕ

Учет необратимости процессов, протекающих в абсорбционном холодильном цикле, позволяет найти ее максимально возможную производительность и зависимость этой производительности от параметров цикла, внешних условий и коэффициентов тепло- и масссообмена, распределить поверхности контакта так, чтобы эту производительность увеличить. Данная задача важна не только для проектирования, но и для анализа целесообразности усовершенствования действующих установок.

Абсорбционный холодильный цикл представляет собой теплоиспользующую холодильную установку (теплотрансформатор [1]), которая за счет затраты теплоты от горячего источника с температурой Т+ и отдачи ее источнику с температурой Т0 (окружающей среде) отбирает тепло у холодильной камеры, имеющей температуру Тх < Т0. Его можно себе представить как соединение двух преобразователей, в первом из которых свободная энергия увеличивается за счет подвода теплоты от горячего источника и разделения смеси, а во втором - она тратится на отбор теплоты от холодильной камеры.

Схема потоков теплоты и уровней температуры для абсорбционного холодильного цикла приведена на рис. 1. Кроме тепловых потоков рабочее тело получает извне и некоторую мощность N однако она значительно меньше, чем в компрессионных холодильниках. На рис. 2 дана рассмотренная ниже схема абсорбционной холодильной машины в ее наиболее простом варианте. Усовершенствованные схемы подобных машин могут быть рассмотрены аналогично.

Рабочее тело представляет собой бинарную смесь, выбор которой диктуется в основном нужным значением температуры холодильной камеры Тх. Чаще всего это бинарная смесь воды с аммиаком

(H2O + NH3). Рабочее тело контактирует с горячим источником в генераторе I, где происходит испарение смеси. Пары с содержанием легколетучего компонента у1, зависящим от температуры Т1 и давления Р1, с расходом g1 поступают в конденсатор II, где контактируют с окружающей средой и превращаются в жидкость, состав которой тот же, что и состав пара. Далее жидкость дросселируется в дросселе III и ее давление падает до P2, а температура уменьшается до T4. С этой температурой жидкость поступает в испаритель IV, где отбирает тепло с интенсивностью qx из холодильной камеры. Холодный пар поступает в абсорбер V, где он поглощается охлаждаемым раствором смеси из генератора I с расходом g2 и концентрацией x2. Из абсорбера отводят в окружающую среду теплоту растворения qa. Получившийся раствор с расходом g и концентрацией легколетучего x возвращается в генератор насосом, который повышает его давление от P2 до P1.

Термодинамическому анализу, исследованию влияния необратимости и повышению эффективности абсорбционных холодильных машин посвящен целый ряд работ [1-4], среди которых нужно отметить монографию [2]. Для анализа процесса, как правило, используют графические методы, а оптимизация

T

T

T

Рис. 1. Структура потоков обмена рабочего тела абсорбционного холодильника с внешней средой.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

659

8ъ У1

п>_/*'Як

Iii

82

Pi

q+

V

Po

8, *

У

<?a

системе равно скорости изменения энтропии всех трех источников, контактирующих с рабочим телом

а =

qa + q* q+ q*

(i)

Энергетический баланс рабочего тела примет форму

q+ + q* - qa - q*+n=0.

(2)

Исключим из условия (2) qa + qk и подставим получившееся выражение в (1). Получим

1

q+ = —

n*

q* |--1 | - N + аГ о

(3)

Рис. 2. Схема абсорбционного холодильного цикла: I - генератор, II - конденсатор, III - дроссель, IV - испаритель, V - абсорбер.

проводится на качественном уровне. Ниже использован подход, характерный для оптимизационной термодинамики. Он основан на термодинамических балансах и явном учете необратимости через производство энтропии [5, 6]. Характеристиками совершенства такого цикла являются затрачиваемая теплота q+ при заданном потоке qx, тепловое отношение

р q*

р = — и максимально достижимая при тех или иных

q+

ограничениях интенсивность целевого потока qx.

Значение каждого из этих показателей зависит от многих факторов, таких как коэффициенты тепло- и массообмена, состава смеси, организации процесса и др. Для того чтобы найти эти зависимости и

min max л ч

получить оценки для q+ и qx : 1) запишем уравнения термодинамических балансов системы, связывающие показатели цикла с необратимостью протекающих в нем процессов; 2) получим выражения для производства энтропии на отдельных стадиях процесса; 3) найдем условия, при которых для заданной интенсивности потоков, суммарное производство энтропии минимально, и условия максимума хладопроизводительности.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ БАЛАНСЫ И СВЯЗЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ С ПРОИЗВОДСТВОМ ЭНТРОПИИ

Рабочее тело обменивается с окружением только потоками энергии, поэтому уравнения термодинамических балансов сводятся к балансам по энергии и энтропии. Так как рабочее тело циркулирует в замкнутом контуре, то изменение его энергии и энтропии равно нулю, поэтому производство энтропии в

где Пк = 1 - - В том случае, когда коэффициенты т +

теплообмена (размеры установки) сколь угодно велики или интенсивность потоков близка к нулю, а стремится к нулю и из равенства (3) следуют обратимые оценки для затрат теплоты

q+ > q+

n*

q*| I - N

(4)

и для теплового отношения

q*

о

р>р

0' q+

Мощность насоса

N = ^ ^ (Pi- P2),

(5)

(6)

где g и у - молярный расход и молярный объем смеси.

Равенство (3) можно переписать в форме

q* (Г

а Т о

q + N _ - * ( - о i I +

n* = n*lТ*- J n*

(7)

Здесь Ц - эквивалентные затраты энергии на создание целевого потока цх, первое слагаемое в правой части этого равенства соответствует обратимой, а второе - необратимой составляющим этих затрат. При фиксированном значении цх максимуму теплового отношения соответствует минимум а.

Величину а в равенстве (7) можно выразить через производство энтропии при взаимодействии источников с рабочим телом. Связи между потоками, температурами, давлениями вытекают из термодинамических балансов для основных элементов цикла и условия, согласно которому суммарное изменение энтропии рабочего тела за цикл равно нулю. При этом будем считать, что потоки теплообмена

I

о

+

*

пропорциональны разности температур контактирующих подсистем

q+ = а+ (Т+- Т1), Чх = ах(Тх - Т4 ).

Ча = аа ( Т - Т0 ) . Чк = ак( Т1- Т0 ) •

(8)

Здесь коэффициенты теплообмена равны произведению удельных коэффициентов на поверхности контакта.

НЕОБРАТИМОСТЬ И ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ДЛЯ РАЗНЫХ СТАДИЙ ПРОЦЕССА

Производство эитропии при взаимодействии с источииками. Производство энтропии в генераторе, конденсаторе и абсорбере определяется практически только процессами теплообмена, так как процессы испарения аммиака в генераторе (однократная дистилляция) и в холодильной камере, конденсации его паров в конденсаторе, а затем при более низком давлении в абсорбере близки к равновесным.

Для законов теплообмена, имеющих форму (8), производство энтропии равно:

генераторе

о+ = ч+( 1/Т1-1/Т+) =

а+Т1Т + '

конденсаторе

Ок =

2 Чк

акТ 1Т 0

- в холодильной камере

- в абсорбере

а хТхТ4

Оа ааТТ

(9)

(10)

(11)

(12)

нужно учесть ограничения на общие размеры машины, связь этих коэффициентов с потоками теплообмена и самих потоков друг с другом. Такие связи определяются уравнениями термодинамических балансов для элементов цикла и для рабочего тела в целом.

Термодииамические балаисы элемеитов цикла.

А. Генератор. Материальный баланс по общему расходу и расходу легколетучего компонента имеет вид

Я = & + ^ (14)

§х = + &2Х1. (15) Энергетический баланс

£+= §2к2 + - gк, (16)

где Н, Н1, Н2 - молярные энтальпии смеси на входе, паровой и жидкой смеси на выходе из генератора.

Энтропийный баланс

Т1

(17)

Здесь предполагается, что процесс испарения в генераторе близок к обратимому.

Умножим равенство (17) на Т1 и вычтем из получившегося выражения уравнение (16). Получим

е(Й1- Т^1) + (1- £)(Й2- Т1 $2) - (Н - Т^) = 0.(18)

Здесь £ = §1/§ - доля испарения, равная, как следует из равенств (14), (15),

£=

X — Х1

У1- х1

(19)

Температуры контакта, фигурирующие в этих равенствах, зависят от гидродинамики потоков и изменения фазового состояния. Если гидродинамика каждого из потоков соответствует режиму идеального смешения, то температура контакта равна температуре потока на выходе из теплообменника. При конденсации и испарении температура потока не изменяется.

Так как прирост энтропии рабочего тела равен нулю, то суммарное производство энтропии

о = О+ + О + Ох + са. (13)

Минимизировать производство энтропии можно за счет выбора коэффициентов теплообмена, пропорциональных поверхностям контакта. При этом

В круглых скобках в равенстве (18) стоят свободные мольные энергии, т.е. химические потенциалы потоков.

Предполагая, что молярная теплоемкость смеси С в жидкостных потоках, входящих и покидающих генератор, мало изменяется, получим

Ак2 = к2 - к = С(Т1 - Т).

(20)

Затраты теплоты на испарение моля смеси рассчитывают как [7]

Акх = к - к = уг + (1 - ух)г2,

(21)

где г1, г2 - теплоты испарения (конденсации) моля легколетучего и высококипящего компонентов. Для КИ3 гх = 23.35 кДж/моль, для воды г2 = = 40.66 кДж/моль.

Таким образом, по условию (16)

Ч+ = § [£АН1 + (1- £)А Н2 ].

(22)

2

2

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ Прирост мольных энтропий [7]

Т

А= $2- 5 =

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком