Hőtı körfolyamatok. Dr. Zana János

Hőtı körfolyamatok Dr. Zana János

Elızmények •Jégkészítési kísérletek William Cullen XVIII. század •Hıerıgépek a gyakorlatban James Watt XVIII. század •Hıerıgépek kezdeti elmélete John Dalton, Lord Kelvin XIX. század

2011.05.04.

Fizika–Automatika Tanszék

2

Elızmények •igény a teljesítıképesség javítására •a gépszerkezeti alapok henger, dugattyú, vezérmő

2011.05.04.


3

Elızmények • Nicole Léonard Sadi Carnot nincs jobb hatásfokú hıerıgép, mint amely 1. Izotermikus hıelvonás 2. adiabatikus kompresszió 3. izotermikus hıbevezetés 4. adiabatikus expanzió • Hatásfoka 2011.05.04.

W η= , W ≤Q Q Fizika–Automatika Tanszék

4

Kezdetek Carl Paul Gottfried von Linde Ha a Carnot körfolyamat a lehetı legjobb hatásfokú, akkor a megfordítása is a lehetı legjobb eredményő Ha a Carnot (Joule, Rankine) körfolyamat hıt szállít magas hımérséklető helyrıl alacsony hımérséklető helyre, és ennek árán munkát végez, akkor a megfordítása hıt szállít alacsony hımérséklető helyrıl magas hımérséklető helyre, és ehhez mechanikai munkát használ fel 2011.05.04.


5

Kezdetek Carl Paul Gottfried von Linde

2011.05.04.


6

Kezdetek Carl Paul Gottfried von Linde pV diagramon a görbe alatti területek összege a körintegrál ha ellentétes a körüljárási irány, akkor a munkavégzés is ellentétes elıjelő

W = ∫ p ⋅ dV A körintegrál négy állapotváltozás görbéje alatti terület összege. A valóságos hőtıgépnél csak az 1–2 adiabatikus kompresszió munkája tartja fenn a folyamatot 2011.05.04.


7

Kezdetek Carl Paul Gottfried von Linde A körintegrál négy állapotváltozás görbéje alatti terület összege. A valóságos hőtıgépnél csak az 1–2 adiabatikus kompresszió munkája tartja fenn a folyamatot

1 ( p1V1 − p2V2 ) W12 = κ −1 Az egyenletek ideális gázra vonatkoznak. Például a 2–3 izotermikus kompressziónál a hıközlés és a munkavégzés egyenlı 2011.05.04.

V3 W23 =Q23 = RT⋅ln V2


8

Megvalósítása Carl Paul Gottfried von Linde Ez az •ideális folyamat •ideális gázzal csak képzeletben valósítható meg. A 2–3 izotermikus kompresszió például csak végtelen lassan mozgó dugattyús géppel volna realizálható. Ilyen nincsen, és felesleges is, hiszen nulla lenne a teljesítıképessége

2011.05.04.


9

Megvalósítása Carl Paul Gottfried von Linde Új termodinamikai diagram. A kompresszor munkája az entalpia változásából leolvasható. Tömegegységnyi közegre a fajlagos entalpiát számítjuk

dh = δq + v ⋅ dp Hıközlés nincs. Ezért az entalpia változása egyenlı a technikai munka értékével

2011.05.04.


10

Megvalósítása Carl Paul Gottfried von Linde

A levegı cseppfolyósítása 2011.05.04.


11

A kompresszió Kompresszor indikátor diagramja

W=

V2

∫ p ⋅ dV

V1 W=

p2

V2

Wt = ∫ V ⋅ dp

∫ p ⋅ dV

V1

p1

2011.05.04.


12

A kompresszió Kompresszor indikátor diagramja A valóságos kompresszor munkafolyamatának részei: 1. A közeg beszívása az 1 jelő pontig 2. A közeg adiabatikus sőrítése, 1–2 W=

V2

∫ p ⋅ dV

V1

3. A közeg kitolása a henger belsı terébıl, 2–3 A henger belı terét nem lehet nullára csökkenteni; V3 neve: a káros tér 4. A káros térben maradt közeg adiabatikus expanziója, 3–4

E négy munkavégzés összege elméletileg azonos a technikai munka értékével. V3 elméletileg nulla nagyságú A zárt térben levı közeg tömege állandó, ezért a V térfogatból és a v fajlagos térfogatból készített ábrák egyformák (hasonlóság) 2011.05.04.


13

A kompresszió Kompresszor indikátor diagramja Váltakozóáramú kompresszor (reciprocating compressor) Az adiabatikus helyén ezúttal politropikus állapotváltozás szerepel

2011.05.04.


14

A kompresszió Kompresszor indikátor diagramja

2011.05.04.


15

Megvalósítása Kompresszor indikátor diagramja

2011.05.04.


16


A–D őrítés D–C sőrítés C–B szívás B–A terjeszkedés Szívás és őrítés közben a szelepeken és a csıvezetékeken áramlási veszteség keletkezik. Pl. pD>pA 2011.05.04.


17


2011.05.04.


18

Megvalósítása

2011.05.04.


19

Megvalósítása

Baloldalt: reális gázzal jobboldalt: ideális gázzal (vagy folyadékkal) 2011.05.04.


20

Megvalósítása dh = du + pdv + vdp Izoterm állaptváltozásnál pv=állandó. Emiatt az entalpia csak a belsı energia változásából áll dh = du + pdv + vdp

du = cv dT

A baloldali ábrán a reális gáz izotermikus állapotváltozása látható; abban az esetben, ha az megközelíti a telítési állapotot (túlhevített gız). A telítési állapot közelében a van der Waals állapotegyenlettel kell számolnunk. Ennek képe eltér az ideális függıleges egyenestıl

2011.05.04.


21

Megvalósítása

T-s diagramon ilyen egyszerő a hőtı körfolyamat képe: csak izotermákból és adiabatákból áll 2011.05.04.


22

Megvalósítása

2011.05.04.


23

Megvalósítása Izoterm helyett izobár Elınye: megvalósítható, egyszerő Hátránya: rosszabb a gép teljesítıképessége, mert nem felel meg többé a Carnot körfolyamatnak 2011.05.04.


24

Megvalósítása

A hıfelvétel és a hıleadás már izobár folyamat; pv és ph diagramon 2011.05.04.


25

Megvalósítása dh = du + pdv + vdp Izobár folyamatnál az egyenlet utolsó tagja nulla. Emiatt a hıközlés egyenlı az entalpia változásával A diagram elınyei: 1. A kompresszió munkája az entalpia változásából számítható 2. A hıelvonás az entalpia változásából számítható 2011.05.04.


26

Megvalósítása

T-s diagramon már nem egyenes hőtıben lezajló állapotváltozás képe. A q0 hıelvonás azonban továbbra is a görbe alatti terület 2011.05.04.


27

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása Eddig az ideális gázok példáján vizsgáltuk a hőtı körfolyamatot. Most jobbról-balra (vagy felülrıllefelé) haladva elérjük azt a határt, ahol az anyag elkezd cseppfolyósodni. A fázisátmenet határgörbéit látjuk, és rajta a hőtı körfolyamatot. Jobb oldalt a felsı határgörbe a telített gız határa (például az 1. jelő pont). Bal oldalt az alsó határgörbe (például a 3. jelő pont). Közöttük az anyag a cseppfolyós és légnemő állapot keverékébıl áll. 2011.05.04.


28

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása Az 1. jelő ponttól jobbra az anyag túlhevített gız állapotban van. A két határgöbe által közbezárt területen azt mondjuk: nedves gız. A 3. jelő ponton, és a hozzá tartozó görbe mentén az anyag folyadék határállapotban van. Balra tıle az anyag teljes egészében cseppfolyós állapotban van. Az alsó és felsı határgörbe felül egy pontban találkozik egymással. Ez a kritikus pont. p-v diagramon az alsó és felsı határgörbe közötti vízszintes különbség jelzi, mekkora a cseppfolyósodás térfogatváltozása. 2011.05.04.


29

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása Az eddig ideális gázra leírt körfolyamat a következıképpen változik: 1–2 adiabatikus kompresszió 2–3 izobár hıleadás 3–4 adiabatikus expanzió 4–1 izobár hıfelvétel a hőtıben

2011.05.04.


30

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása Az eddig ideális gázra leírt körfolyamat a következıképpen változik: 1–2 a folyamat telített gızzel indul, amely a kompresszió alatt túlhevül 2–3 a túlhevített gız lehől a telítési hımérsékletére, és teljes egészében átmegy cseppfolyós halmazállapotba 3–4 a folyadék expanziója alatt az anyag egy kis része elpárolog 4–1 az anyag teljes egészében elpárolog 2011.05.04.


31

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása A folyamat részeinek új elnevezése van. 1–2 kompresszió a kompresszorban 2–3 kondenzáció a

kondenzátorban 3–4 expanzió az expanziós gépben 4–1 elpárolgás az

elpárologtatóban

2011.05.04.


32

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása A Gibbs-féle fázisszabály értelmében a rendszer szabadsági foka eggyel csökkent. Ha egyszerre két fázis van jelen, akkor a nyomás és a hımérséklet értékét nem lehet egymástól függetlenül felvenni. Ezért •az izobár folyamat izoterm is •az izoterm folyamat izobár is a két határgörbe között

2011.05.04.


33

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása A Gibbs-féle fázisszabály következtében a folyamat két lényeges elınye a folyamat jósági foka (elméletileg) azonos a Carnot folyamat jósági fokával, tehát maximális a hıleadás és a hıfelvétel izobár, tehát technikailag könnyedén kivitelezhetı; egy-egy hıcserélı elegendı hozzá

2011.05.04.


34

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása A jósági fok a termikus hatásfok fordítottja:

q0 T0 j= = w T − T0 •q0 az egységnyi tömegő hőtıközeg által a hőtıben felvett hımennyiség •w a folyamat fenntartására egységnyi tömegő hőtıközegen végzett munka q0 > w, például 100 kJ/kg munka árán esetleg 200 kJ/kg hıelvonás is lehetséges (veszteséges körfolyamat estén is elınyös) 2011.05.04.


35

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása Az ilyen folyamat további elınye: A 2–3 kondenzáció erıteljes turbulenciával jár. Azonos felületen ennél a folyamatnál a legnagyobb a hıátadás. A 4–1 párolgás is turbulenciával jár, ezért az elpárologtató felületén is igen jó a hıátadás Mindez áramlástani szempontból veszteséggel jár, amely azonban eltörpül a folyamat elınyei mellett

2011.05.04.


36

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása

q0 a hőtıben felvett hımennyiség, wk a kompressziómunka most már csak a kompresszorban bevezetett munkát számítjuk 2011.05.04.


37


A T-s diagramon észrevehetı, hogy elég magas a kompresszió véghımérséklete. Jól látható az is, hogy a 2–3 folyamat elején a gıznek le kell hőlnie a telítési hımérsékletére, mielıtt elkezd kondenzálódni. A görbéje alatti terület csekély, nem rontja jelentısen a jósági fok értékét 2011.05.04.


38


Az expanziós gép helyett fojtószelepet használunk. Elveszítjük az expanziómunkát, azonban ez a gép szerkezetileg sokkal egyszerőbb. A veszteség néhány százalék, de nincs tömszelence, olajozás, forgattyús tengely, szívószelep, stb. 2011.05.04.


39

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása Ha az expanzió gyors, a folyamat közelíti az adiabatikus állapotváltozást, például a gızturbináknál. A sebesség felsı határa nem végtelen, hanem a hang terjedési sebessége.

Ha az expanzió lassú, a folyamat közelíti az izentalpikus állapotváltozást. p-v diagramon alig látszik a különbség

2011.05.04.


40

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása A fojtószelep alkalmazásának van hátránya: a 4–1 görbe alatti terület kisebb. Tehát ugyanannyi hőtıközeggel kevesebb hıt tudunk elvonni az elpárologtatóban, romlik a gép teljesítıképessége (A teljesítıképesség a hıáram nagysága, ez az iparban kW nagyságrendő. Ezt a körforgásban tartott közegmennyiségbıl számítják, amelyet kg/s, vagy kg/h mértékegységben szokás meghatározni) 2011.05.04.


41


Jól látható, miért használjuk a nyomás-entalpia diagramot 2011.05.04.


42

Halmazállapotát változtató hőtıközeg alkalmazása dh = du + pdv + vdp A munka útfüggı mennyiség, nem lehet a munkavégzést ábrázoló diagramot készíteni. Ha azonban a folyamat adiabatikus, a munka azonos a technikai munka értékével, és a diagramról leolvasható wk= h2-h1 A hıátadás izoterm is és izobár is, ezért az entalpia értékekbıl ez is kiszámítható: q0 = h1-h4 Az ábrán látható az adiabatikus és az izentalpikus expanzió különbsége: a hőtıben elvonható hımennyiség kis mértékben, de csökken 2011.05.04.


43

Diagramok a termodinamikában

Széndioxid. A diagram érdekessége, hogy a nyomás-entalpia diagramon a szilárd fázis is látható. A fagyás felsı határgörbéje jobbra dıl, fagyáshıje tehát kissé növekszik a nyomás függvényében. Az anyag csak a kritikus hımérséklet (+31°C) felett lehet gáz, bár az izotermá k még a kritikus hımérséklet felett is görbülnek kissé (az ábrán +50 °C ). Ugyanott egy állandó sőrőségő (ρ) vonal is látható. 2011.05.04.


44


vapor

Ebben a változatban nem a téves „gas”, hanem a helyes „vapor” szó jelzi a gızt 2011.05.04.


45


Vízgız nyomás-entalpia diagramja. A kritikus hımérséklet feletti izotermák S alakúak; a kritikus hımérsékleten vízszintes inflexiós érintıjük van 2011.05.04.


46


Az izotermák lila színőek, az állandó sőrőségő vonalak zöldek; az állandó entrópiájú vonalak (tehát adiabaták) narancs színőek. Kék színőek azok a vonalak, amelyeknél azonos a folyadék–gız arány A kritikus izoterma (100 °C) érint ıje vízszintes 2011.05.04.


47

ammónia

Diagramok a termodinamikában A kezdıpont entrópiája a 0 °C-os folyadék: 2 kJ/kg K

A kezdıpont entalpája a 0 °C-os folyadék: 0,5 MJ/kg

A kritikus hımérséklet (132 °C) felett az izotermák és az entalpia vonalak párhuzamosak

2011.05.04.


48


Itt a hımérséklet -10 °C 2011.05.04.


49


Itt a fajlagos entrópia 7,4 kJ/kgK 2011.05.04.


50


Itt a fajlagos térfogat 0,9 m3/kg

2011.05.04.


51


túlhevített (telítetlen) gız Telített gız -30 °C-on A kritikus hımérséklet +132 °C 2011.05.04.


52


2011.05.04.


53

A hőtı körfolyamat megvalósítása

∆hu (unterkühlung) az utóhőtés teljesítménynövelı hatása ∆hüb a túlhevítés (überhitzung) teljesítménynövelı hatása (q0N növekszik) 2011.05.04.


54


1EV száraz kompresszorüzem 1–2 túlhevítéses kompresszorüzemnél növekszik a kompresszormunka 2011.05.04.


55


Lehetséges megoldása: a kétfokozatú kompresszorüzem 2011.05.04.


56


Lehetséges megoldása: a kétfokozatú kompresszorüzem, de az alsó és felsı fokozatban eltérı hőtıközegek cirkulálnak 2011.05.04.


57


Kétfokozatú kompresszorüzem, az alsó és felsı fokozatban eltérı hőtıközegek cirkulálnak. Cascade condensor = belsı hıcserélı 2011.05.04.


58


Széndioxid esetén elıfordul a transzkritikus üzem: a körfolyamat körbejárja a kritikus pontot 2011.05.04.


59


A belsı hıcserélı növeli az utóhőtést is. Másik oldalán megakadályozza, hogy folyadék távozzék az elpárologtatóból a kompresszorba (megelızi a folyadékütés hatását) 2011.05.04.


60


Eltérések az ideálistól: 1–2 főtött adiabatikus kompresszió, 2– nyomásveszteség a nyomószelepnél, 2–3 áramlási veszteség a kondenzátorban, 3–4 valóságos (főtött) expanzió, 4–1 EV áramlási veszteség az elpárologtatóban, 1EV–1 nyomásveszteség a szívószelepnél 2011.05.04.


61


Az abszorpciós hőtı körfolyamat. Az elpárologtatóban még hidrogéngáz is kering 2011.05.04.


62


Glacial ammonia: fagyott ammónia Hemyhidrate: két ammónia molekulához kapcsolódik egy vízmolekula 2011.05.04.


63

Hőtıközegek

klórozott szénhidrogének

fluórozott szénhidrogének

Ozone Depletion Potential

Global Warming Potential

flammable = gyúlékony, toxic = mérgezı, safe = biztonságos 2011.05.04.


64

Hőtıközegek Corporation

Tarade name

Imperial Chemicals

Arcton

Daikin Industries

Daiflon

?

Eskimon

Elf Atochem

Forane

DuPont

Freon

Hoechst

Frigen

Allied Signal

Genetron

ASP International

Halon

Rhone-Poulenc

Isceon

Pennsylvania Salt

Isotron

Jefferson Chemival

Jeffcool

Joh. A. Benckiser

Kaltron

Union Caride

Ucon

2011.05.04.


65

Hőtıközegek CFC Chlorofluorocarbon

CCl2F2

HCFC Hydrochlorofluorocarbon CHClF2 HFC Hydrofluorocarbon PFC Perfluorocarbon

CHF3 C2F6 ASHRAE

American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers Amerikai főtési, hőtési és légkondícionálási társaság

R = refrigerant, például a fentiek: R12, R22, R23, R116 Ha bróm is van benne: CH3Br = R40B1, CF2ClBr = R12B1 2011.05.04.


66

Hőtıközegek ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers Amerikai főtési, hőtési és légkondícionálási társaság

R = refrigerant, például a fentiek: R12, R22, R23, R116 Ha bróm is van benne: CH3Br = R40B1, CF2ClBr = R12B1

2011.05.04.


67

Hőtıközegek

2011.05.04.


68

Hőtıközegek

2011.05.04.


69

Hőtıközegek Chlorotrifluoromethane

R13

-81,0

CClF3

carbon-dioxide

R744

-57,0

CO2

Chlorodifluoromethane

R22

-40,8

CHClF2

-38,0

ClF2C-CF3

-33,3

NH3

-29,8

CCl2F2

-12,0

CHFClCF3

R115 Magasnyomású

1-Chloro-1,1,2,2,2-pentafluoroethane Ammonia Dichlorodifluoromethane

R717 R12 Középnyomású

2-Chloro-1,1,1,2-tetrafluoroethane sulfur-dioxide

R124

AlacsonyR764 nyomású-10,0

SO2

1-Chloro-1,1-difluoroethane

R142b

-9,2

ClF2C-CH3

Bromochlorodifluoromethane

R12B1

3,7

CBrClF2

1,2-Dichloro-1,1,2,2-tetrafluoroethane

R114

3,8

ClF2C-CClF2

Dichlorofluoromethane

R21

8,9

CHCl2F

Chlorofluoromethane

R31

9,1

CH2ClF

Dibromodifluoromethane

R12B2

22,8

CBr2F2

Trichlorofluoromethane

R11

23,0

CCl3F

Chloromethane

R40

24,2

CH3Cl

1,1-Dichloro-1-fluoroethane

R141b

32,0

Cl2FC-CH3

2011.05.04. Dichloromethane R32, R125, R134a

Fizika–Automatika Tanszék R30 39,6 R407A

40,0

CH2Cl2

70

Hőtıközegek

2011.05.04.


71

Hőtıközegek R400-tól zeoztrop elegyek: izobár forrásnál növekszik a hımérséklet R407C klímaberendezések számára (alacsony nyomású hőtıközeg) glide = hımérséklet elcsúszás R500-tól azeotrop elegyek: az izobár forrásnál állandó a hımérséklet R508b klímaberendezések számára (alacsony nyomású hőtıközeg) leak = egyre könnyebben párolgó elegyek 2011.05.04.


72

Hőtıközegek

Az izotermák lila színőek. Jól látható, hogy az R407C forráspontja kb. 7 °C-kal csökken párolgás közben. Kritikus pontja 86,2 °C 2011.05.04.


73

Hőtıközegek

∆tgl forrási hımérséklet csúszás (kondenzációnál és elpárologtatásnál is) 2011.05.04.


74

Hőtıközegek

2011.05.04.


75

Hőtı körfolyamatok

vége

2011.05.04.


76

Hőtı körfolyamatok. Dr. Zana János

Recommend Documents