Тепловые электростанции

Схема и цикл парокомпрессионной холодильной установки

Схема и цикл газовой (воздушной) холодильной установки

Впервые промышленное получение холода было осуществлено с помощью воздушной холодильной установки.

Схема и обратимый цикл воздушной холодильной установки представлены на рис. 10.2, 10.3, 10.4.

Обозначения: К – компрессор; Д – детандер; ХК – холодильная камера;

T – теплообменник, охлаждаемый водой; ЭД – электродвигатель; T _oc = T _{3 –} температура окружающей среды; T _x = T ₁ – температура вырабатываемого холода. Цифры на схеме соответствуют узловым точкам обратимого цикла 1-2-3-4

Работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре (площадь a -1-2- b в p-v- диаграмме),

.

Работа, получаемая при расширении воздуха в детандере (площадь
a -4-3- b),

частично компенсирует затраты работы на сжатие (компрессор, детандер иэлектродвигатель находятся на одном валу).

Результирующая затрачиваемая работа (площадь цикла 1-2-3-4 в p-v- и T-s- диаграммах)

Удельная холодопроизводительность обратимого цикла (площадь
1-4- c-d в T-s- диаграмме)

.

Теплота, передаваемая от охлаждаемого воздуха к воде в теплообменнике (Площ. 2-3- c-d),

.

Холодильный коэффициент обратимого цикла

.

В газовой холодильной установке невозможно осуществить изотермический процесс подвода и отвода теплоты, поэтому обратимый цикл 1-2-3-4 отличается от цикла Карно 1-2¢-3-3¢ для данного интервала температур T _x – T _oc. Из
T-s- диаграммы видно, что в цикле Карно удельная холодопроизводительность больше (Площ. c 3¢1 d > Площ. c 41 d), а затрачиваемая работа меньше (Площ.1-2¢-3-3¢< Площ. 1-2-3-4), чем в цикле воздушной холодильной установки, следовательно, холодильный коэффициент цикла Карно

.

Эксергетический КПД обратимого цикла для газовых холодильных установок

что говорит о низком термодинамическом совершенстве газовых циклов.

На рис. 10.5 представлен действительный цикл воздушной холодильной установки 1-2 д -3-4 д.

Степень необратимости процессов сжатия и расширения воздуха учитывается внутренним относительным КПД компрессора и внутренним относительным КПД детандера:

.

Механические и электрические потери в компрессоре, детандере и электродвигателе учитываются электромеханическим КПД (h_ЭМ).

Удельная холодопроизводительность действительного цикла

.

Затрачиваемая работа с учетом всех потерь (электрическая работа)

.

Холодильный коэффициент и эксергетический КПД холодильной установки (с учетом всех потерь)

.

Учет потерь от необратимости снижает эксергетический КПД установки () по сравнению с эксергетическим КПД обратимого цикла () примерно в два раза.

Вследствие малой теплоемкости воздуха удельная холодопроизводительность воздушных холодильных установок

,

мала. Для получения необходимой холодопроизводительности

требуются большие расходы циркулирующего воздуха, с которыми успешно справляются турбокомпрессоры и турбодетандеры.

Газовые холодильные машины применяются для получения искусственного холода с низкими температурами (t < -100 ^оС).

Хладоагентами (ХА) парокомпрессионных холодильных установок являются пары низкокипящих жидкостей: аммиака (NH₃), фреонов (C _m H _n F _x Cl _y).

На рис. 10.6 и 10.7 представлены схема и цикл парокомпрессионной холодильной установки.

Обозначения: К – компрессор; КН – конденсатор; ДВ – дроссельный вентиль;
И – испаритель; ЭД – электродвигатель; t¢ _хл, t¢¢ _хл – температуры хладоносителя. Цифры на схеме (рис. 10.6) соответствуют узловым точкам обратимого цикла
1-2-3-4 (рис. 10.7)

Хладоноситель – жидкость, не замерзающая при низких температурах (этиленгликоль, пропиленгликоль), используемая для транспортировки холода.

Для понижения температуры ХА в парокомпрессионных холодильных установках используется дроссельный вентиль. В процессе дросселирования 3-4 энтальпия ХА не изменяется (h ₃ = h ₄).

Теплота, необходимая для испарения ХА в испарителе, забирается от хладоносителя.

Удельная холодопроизводительность обратимого цикла

.

Затрачиваемая работа в цикле (работа компрессора)

.

Теплота, отводимая в процессе охлаждения и конденсации ХА,

.

Холодильный коэффициент обратимого цикла

.

Если пренебречь разностью температур в процессах теплообмена между хладоагентом и водой, охлаждающей конденсатор, между хладоагентом и хладоносителем в испарителе, то можно принять, что T _x = T ₁, T _оc= Т ₃.

В парокомпрессионной холодильной установке в интервале температур T _x – T _оc возможно осуществить цикл Карно 1¢-2¢-3-4¢ с холодильным коэффициентом

.

Эксергетический КПД обратимого цикла парокомпрессионных холодильных установок

,

что говорит о высокой степени термодинамического совершенства паровых циклов.

Действительный цикл парокомпрессионной холодильной установки представлен на рис. 10.8.

Затрачиваемая работа, с учетом всех потерь,

.

Холодильный коэффициент установки

.

Эксергетический КПД холодильной установки

.

Преимущество парокомпрессионных холодильных установок, по сравнению с газовыми, в том, что они имеют более высокий эксергетический КПД, меньшие габариты, большую удельную холодопроизводительность.

Они применяются для получения холода в области умеренных температур (t > -100 ^oС), широко используются в промышленности и в быту.

11. ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

На долю тепловых электростанций России приходится примерно три четверти производства электроэнергии в стране. В перспективе (100–150 лет) основным источником энергии будет ископаемое топливо.

Современная ТЭС мощностью 2,4 млн кВт расходует 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу 680 т окислов серы (SO₂ + SO₃) при содержании серы в топливе 1,7 %; 200 т окислов азота (NO_x); 120–240 т золы, пыли, сажи при эффективности пылеулавливания 94–98 %.

Тепловые электростанции потребляют газ, уголь, мазут. Вся масса сжигаемого топлива превращается в отходы, причем продукты сгорания в несколько раз превышают массу топлива за счет включения кислорода и азота воздуха. Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива: нетоксичный газ (СО₂), водяные пары (Н₂О) и вредные вещества (зола и сажа, окись углерода (СО), окислы серы (SO₂ + SO₃), окислы азота (NO_x). Если выброс всех вредных веществ принять за 100 %, то на долю окислов серы приходится до 50 %, окислов азота – 30–35 %.

Топливо состоит из трех горючих элементов: углерода (С), водорода (Н) и серы (S). При горении происходит соединение кислорода с этими горючими элементами, сопровождающееся выделением тепла. Сера заметного вклада в выделение тепла не вносит, но с точки зрения загрязнения атмосферы первое место по массе принадлежит окислам серы.

Большинство энергетических углей и мазутов имеют невысокое качество. Практически все жидкое топливо – это мазут с высоким содержанием серы. Твердое топливо разнообразно по составу, но в целом отличается высоким содержанием серы (до 3,5 % и выше). Отсутствует сера только в газообразном топливе.

По современным оценкам в мире запасов угля хватит на 250 лет, газа – на 60, нефти – на 40 лет. Таким образом, при решении проблем экологии наибольшее внимание должно уделяться ТЭС, работающим на угле.

Дата добавления: 2014-01-13