12_Lijevokretni_ciklusi

8/14/2019 12_Lijevokretni_ciklusi

1/16

12. Lijevokretni ciklusi12. Lijevokretni ciklusi

Termodinamika 1

doc. dr.sc. Sandro Nieti, dipl.ing.stroj.


2/16

Lijevokretni ciklusi

12.1. Uvodna razmatranja

Do sada su razmatrani desnokretni ciklusi kojima je glavna karakterisitkaproizvodnja rada iz odreene koliine dovedene topline. Analogno, u tehnikojpraksi postoje i procesi u kojima setroi radte kao nusproduktodvodi toplina.Takvi procesi se nazivaju lijevokretni ciklusi. U tehnikoj praksi to su ciklusi nakojima se temelji prinicip rada rashladnog postrojenja.

Shematski prikaz lijevokretnog Carnotovog ciklusa i proces u T-sdijagramu


3/16


Na zadnjoj slici je prikazan potpuno ravnotean lijevokretanCarnotov cikluskojiu sutiniuzima toplinuna nioj temperaturi (nioj od okolne) te uz troenje rada

prebacuje tu toplinu na vii temperaturni nivo (vii od okolne temperature).Najjednostavnije je taj proces opisati na principu rada kunog hladnjaka!

Prema nultom zakonu termodinamiketoplina uvijek prelazi sa tijela vietemperature na tijelo nietemperature, odnosno spontano sedogaa proces temperaturnog(toplinskog) uravnoteavanja. Kako bise pojasnio princip postizanja niskihtemperatura na slici je shematski

prikazan kuni hladnjak. Namjenahladnjaka je da ouva namirnice, tj. daosigura u komori hlaenja konstantnutemperaturu, niu od okolne. Naslijedeoj slici je prikazano kako seshematski tehniko ostvaruje taj

lijevokretni ciklus (rashladni ciklus).

Kuni hladnjak


4/16


Prema gornjoj slici tehnika realizacija lijevokretnog ciklusa realizira se u opemsluaju izvedbom postrojenja koje se sastoji iz etiri osnovne komponente;kompresora, kondenzatora, ekspanzionog ventila (prigunog elementa) teisparivaa. Ciklus shematski prikazan na slici zoves e ciklus toplinske pumpe ilidizalice topline. Radni fluid je rashladna tvar (obino freon). U nastavku e seizvriti analiza termodinamikih pokazatelja lijevokretnog ciklusa.

Pojednostavljena shema tehnike realizacije lijevokretnog ciklusa


5/16


Osnovna shemaklima Split sustava


6/16


12.2. Termodinamika analiza idealnog lijevokretnog ciklusa

U idealnom slu

aju najbolja je izvedba lijevokretnog postrojenja putemCarnotovog ciklusa, koji je za mokro podruje prikazan na donoj slici. Kako sevidi sa slike u ciklusu se troi rad za komprimiranje para rashladnog fluida1-2,dok je koristan efekt odvedena koliina topline iz komoreK,odnosno dovedenakoliina topline rashladnom fluidu u isparivau. Preuzeta toplina iz komore se

pare rashladne tvari.

Idealizirani lijevokretni Carnotov ciklus u vlanom podruju


7/16

Uinkovitost lijevokretnog ciklusa se definira kao omjer korisno/utroeno.Koristan je eljeni efekat hlaenja (odnosno koliina odvedene topline u

isparivau, qi) dok je utroen tehniki rad u kompresoru w12, koji je umanjen zadobiveni rad u ekspanzijskom stroju (prigunom ventilu). Temeljem toga zarashladni ciklus se moe definirati koeficijent hlaenja (ili eng. COP-Coefficientof performance),

41 hhq

COP i

==


431212 ww japriguivan

Obzirom da se radi o Carnotovom ciklusu gornji izraz se moe transfomiratikako slijedi (sukladno oznakama prema slici),

( )

( ) ( )41032

410

12

hsTssT

ssT

ww

qCOP

okjapriguivan

iH

=

=

0

0

TT

TCOP

ok

H

=


8/16

U ovisnosti o temperaturnom rasponu koeficijent hlaenja ima razliitevrijednosti. Primjerice za prozivodnju leda temperature 0C pri okolnoj

temperaturi od20C, teoretski koeficijent hlaenja iznosi13,6.

6,13273293

273

0

0=

=

=

TT

TCOP

ok

H


emu se proce odvija izmeu temperatura od-5Cdo25C, a gdje bi koeficijenthlaenja iznosio 8,9. Dakle, to je manja razlika izmeu temperature okoline itemperature isparavanja, vii je i iznos koeficijenta hlaenja.

U sutini kod realnog rashladnog postrojenja na gornjem primjeru proizvodnjeleda, za 1,0 kWh utroene el. energije (rad kompresora) dobije se 13,6 kWh

rashladnog u

ina (efekt toplinske pumpe).Upravo zbog toga toplinska pumpa (pa tako i rashladno postrojenje koje radi natom principu) predstavljaja energetski uinkovito rjeenje za grijanje/hlaenjeprostora ili samo kao rashladno postrojenje (u sluaju kada se koristiraspoloiva otpadna toplina).


9/16

Kako se vidi iz zadnjeg izraza, uinkovitost idealnog rashladnog ureaja jezavisna o temperaturama isparavanja i kondenzacije.

12.3. Stvarni rashladni ciklus

Na narednoj slici prikazan je stvaran rashladni ciklus koji ima odstupanja odidealnog obzirom na odreena tehnika ogranienja kao i nemogunostitehnike realizacije Carnotovog ciklusa.


Stvarni lijevokretni ciklus u T-sdijagramu


10/16


Stvarni lijevokretni ciklus u p-h dijagramu

Prvo odstupanje se odnosi na kompresiju koja se kako je vidljivo odvija izzasienog u pregrijano podruje. Naime u tehnikoj praksi je poeljno da ukompresor ulazi zasiena para (ili para sa visokim sadrajem pare) kako ne bidolo do oteenja kompresora. Iz tog razloga se kod realnog postrojena nalaziseparator u kojem se odvaja tekuina, odnosno ime se osigurava dakompresor uvijek usisava zasienu paru radne tvari. Na izlazu iz kompresora je

pregrijana para koja se zatim odvodi u kondenzator gdje se predaje toplinaokolini.


11/16

Druga oita razlika u odnosu na Carnotov ciklus je proces priguivanja (koji jekod idealnog procesa bio prikazan kao ekspanzioni stroj). Kako se vidi sa T-s

dijagrama kod procesa priguivanja (obaranja tlaka, h=const) zbognepovrativosti postoji gubitak na radu (porast entropije s34). Posljedica toga jesmanjenje rashladnog uina (odnosno specifine topline isparavanja po kgradne tvari), meutim to smanjenje je neznatno pa se gubitak na radu

ri uivan em zanemaru e er u sutini se radi o radu tren a ko i ekvivalentan


dovedenoj toplini).U nastavku e biti detaljno analizirana odstupanja realnog od idealnograshladnog ciklusa. Na narednoj slici je prikazan stvaran proces rashladnogkompresijskog postrojenja u kojem su ukljueni svigubici usljed nepovrativostiupojedinim komponentama rashladnog postrojenja kao i njihov efekat natermodinamike parametre. Uslijed unutarnjeg trenja u fluidu dolazi do padatlaka tijekom procesa isparavanja i kondenzacije, a to je i prikazano u T-sdijagramu, ali isto takoer ponekad i zbog velike duljine cjevovoda.

Izravna posljedica odstupanja od idealnog ciklusa je znatno smanjenje COPbroja koji se za realna rashladna postrojenja kree u rasponu od 2,5 do najvie5,0! Uoljiv je znatno manji iznos obzirom na specifinosti tehnike izvedbe.


12/16


Prikaz utjecaja gubitaka unutar rashladnog postrojenjana termodinamike parametre

Kako je ve prije navedeno poeljno je da u kompresor ulazi zasiena para,meutim u praksi je taj proces jako teko kontrolirati pa se obinozasiena pararashladnog fluida blago pregrijava(proces od8-1) kako bi se osigurao ulaz pare

u kompresor. Izravna posljedica pregrijavanja je porast snage kompresora, atime i utroka pogonskog energenta (obino el. energije).


13/16

Realan proces kompresije se odvija sa unutarnjim trenjem (gdje je radunutarnjeg trenja ekvivalentan dovedenoj/odvedenoj toplini pa stoga ovisno o

procesu entropija moe rasti ili padati). Prema slici realan proces kompresije sapadom entropije je prikazan kao proces1-2, dok je realan proces kompresije saporastom entropije prikazan kao proces1-2. Vidljivo je kako je u drugom sluajupotrebno vie tehnikog rada vea snaga) pa je time vei utroak pogonskogenergenta. U tim okolnostima se ponekad ak i hladi rashladni fluid za vrijeme


kompresije, kada postoji ekonomska opravdanost za tim.

Na izlazu iz kondenzatora je u teoretskom sluaju vrela kapljevina rashladnogfluida, meutim u realnim okolnostima zbog pada tlaka prolaskom fluida krozkondenzator, iznimno je teko odravati stanje vrele kapljevine. U tom pogleduse na izlasku iz kondenzatora obino pothlauje rashladni fluid kako bi seosiguralo stanje kapljevine. Posljedica toga je poveanje specifinog rashladnog

uina (odnosno vie topline moe preuzeti rashladni fluid na sebe). Druga koristod pothlaivanja kondenzata radne tvari je ta to je manja opasnost od pojavekavitacije te moguih mjehuria pare na ulasku u priguni ventil.


14/16


Tok eksergije kroz rashladno postrojenje

Na gornjoj slici su prikazani tokovi eksergije kroz rashladno postrojenje pri emuse vidi da je rasladni uinak vei ukoliko su manji svi ostali usputni gubicieksergije u postrojenju.


15/16

12.4. Ukapljivanje plinova

Ukapljivanje plinova je vano podruje u rashladnoj tehnici, a odvija se obino

dubokim hlaenjem (kriogena tehnika) na temperature oko -100C.Najuobiajeni primjeri su; odvajanje kisika i duika iz zraka, pripremanjeraketnog goriva, prouavanje ponaanja materijala pri niskim temperaturama,poruavanje supravodljivosti, itd.


Primjer Linde-Hampson ciklusa ukapljivanja plinova


16/16

Primjerice plinovi kao helij (He), vodik (H2) i dukik (N2) su u kapljevitom stanjutek iznad kritine toke, dakle na-268C, -240C te -147Cza duik, odnosno

niti jedan od navedenih plinova ne moe biti u tekuem obliku pri standardnimatmosferskim okolnostima. Upravo je iz tog razloga potrebno provestiukapljivanje plinova sputanjem ispod kritine temperature.

U praksi postoji nekoliko ciklusa kojima se to postie od kojih je najpoznatiji


- , .

kompresor ulazi nekondenzirana koliina rashladnog fluida 9 iz prethodnogciklusa koja se mijea sa nadomjetenom koliinom plina 1, pri emu sedostie stanje 2. Nastala smjesa se komprimira u viestupanjskomkompresoru, pri emu se uslijed viestupanjske kompresije sa meuhlaenjempribliava izotermnom procesu. Nakon kompresije plin se hladi u izmjenjivautopline 3-4, a zatim i u regeneratoru do stanja 5 (sa odvedenom toplinom

predgrijava se nekondenzirani ostatak plina), nakon ega slijedi priguivanje dokonanog stanja 6. Pri tome se dolazi u mokro podruje pa se ukapljeni plinstanja 7 odvodi te nadomjeta sa novom koliinom plina dok se para plinaopet mijea sa novom koliinom. Proces se dalje ponavlja, pri tome je vano zanaglasiti kako je ovo samo jedan od vie moguih procesa ukapljivanja plinova.

Documents

12_Lijevokretni_ciklusi