termodinamika, thermodynamics, nagib neimarlija ch 9

GLAVA 9......TERMODINAMIKA........Rashladni ciklusi.........

171

GLAVA 9 RASHLADNI CIKLUSI 9-1 U v o d 9-2 Carnotov rashladni ciklus 9-3 Idealni rashladni ciklus 9-4 Varijacije idealnog rashladnog ciklusa 9-4-1 Rashladni ciklus s potlaivanjem kondenzata 9-4-2 Kaskadni rashladni ciklus 9-4-3 Rashladni ciklus s dvostrukim isparavanjem 9-5 Eksergetski stepen iskorienja rashladnih postrojenja 9-6 Efekat nepovratnosti kod kompresije 9-7 Rashladna sredstva 9-8 Ciklus toplotnih pumpi

9 RASHLADNI CIKLUSI

9-1 U v o d Potrebe za veoma niskim temperaturama u nekom termodinamskom sistemu, ili pak za temperaturama niim od temperature okolice, susreu se u brojnim

procesima. Naime, niske temperature su potrebne, naprimjer, za: dobijanje tenih faza tehnikih plinova (duik, kiseonik, argon, itd), za realiziranje

fizikih i hemijskih procesa, ouvanje karakteristika proizvoda hemijske, a

posebno prehrambene i farmaceutske industrije, reguliranje hemijskih procesa, potrebe medicine, klimatizaciju prostorija, obradu metala na niskim temperaturama, itd. U svim navedenim sluajevima koriste se rashladni

ureaji kako bi se zadata stanja, a prije svega niske temperature, odrali na

zahtijevanom energetskom nivou. Rashladni procesi se ostvaruju pomou lijevokratnih krunih ciklusa, ija su principijelna shema i P-v dijagram dati na slici 9-1. Kod lijevokratnih krunih ciklusa energija se dovodi u termodinamski

sistem u obliku rada kako bi se:

osigurao nizak energetski potencijal izvora toplote i odravanje njegove temperature niom od temperature okolice, to osiguravaju rashladni ureaji, ili

172 GLAVA 9......TERMODINAMIKA........Rashladni ciklusi.........

energetski potencijal radnog medija poveao do takvog nivoa da sada radni medij moe uestvovati u navedenom procesu kao nosilac toplote, to osiguravaju toplotne pumpe.

Za kruni ciklus na slici 9-1b, kriva promjene stanja 1-2-3 pokazuje kompresiju, a kriva 3-4-1 ekspanziju radnog medija. Sasvim je jasno da je rad promjene volumena krunog ciklusa

== Pdvlll ekspkompneto [ ]19 i predstavljen je povrinom 12341 na P-v dijagramu. S druge strane, integral po zatvorenoj konturi za razmjenu toplote jednak je krunom integralu volumnog rada zatvorenog sistema ili krunom integralu

tehnikog rada otvorenog termodinamskog sistema

0>+= odvdovneto qql . [ ]29 S obzirom da se rad dovodi sistemu, iz jednaine [ ]29 , proizlazi da je za lijevokratne krune cikluse dovedena koliina toplote radnom mediju stalno manja od koliine toplote predate okolici, to jest

odvdovqq < .

Opa karakteristika ovih krunih ciklusa takva je da je razmijena toplote

usmjerena od tijela nie ka tijelu vie temperature. Ovaj neprirodni smjer toplotne razmjene omoguuje dovoenje rada, koji predstavlja kompenzacioni

Slika 9-1 Shematski prikaz rashladnog ciklusa

I Z VOR TOPLOTE

Rasladni ciklus

PONOR TOPLOTE

kontrolna povrina dovedena toplota

odvedena toplota

dovedeni rad

4

1

P

v

2

3

v1 v3

lneto


173

proces u realizaciji lijevokratnog ciklusa. Ipak, ovaj kompenzacioni proces omoguuje da se razmjena toplote ostvaruje u smjeru rasta energetskog potencijala radnog medija. Na ovaj nain, nadoknauje se opadanje entropije

hlaenog sredstva i to tako da ukupna promijena entropije bude nula, kada su

svi procesi povratni, ili vea od nule, kada su svi procesi nepovratni. Dakle,

navedeni kompenzacioni proces osigurava termodinamske uvjete prema kojim makroskopska promjena entropije izolovanog sistema ne moe opadati, ve

moe biti nula ili vea od nule. Rashladna postrojenja ili ureaji prema obliku potrebne energije za

ostvarenje procesa hlaenja mogu se podijeliti na:

kompresorske rashladne ureaje, kod kojih se mehaniki rad pretvara u toplotu i dovodi lijevokratnom ciklusu,

apsorpcijske rashladne ureaje, kod kojih je radni medij lahko rastvorljivo i isparljivo rashladno sredstvo, naprimjer amonijak. Krunim ciklusom rashladnog sredstva dolazi do isparavanja, kondenzovanja i rastvaranja sredstva u rastvarau, naprimjer u vodi, i na taj nain se osigurava

razmjena toplotne energije bez utroka mehanikog rada i potreban

temperaturni nivo procesa, ejektorske rashladne ureaje, koji rade na princpu kompresije rashladnog

sredstva prozrokovane strujanjem druge supstancije. Kompresija se ostvaruje na raun kinetike energije drugog radnog medija tako to se

zajedno s rashladnim medijem vodi kroz mlaznik i difuzor ejektora, termoelektrine rashladne ureaje, neposredno koriste elektrinu energiju.

Termoelektrini efekat javlja se kod bimetalnih spojeva, naprimjer metala i

poluprovodnika, zahvaljujui razlici temperatura na krajevima provodnika, poznat kao Sebekov efekat. Thomas J. Seebeck 1822. godine pronaao je da se generira elektromotorna sila izmeu spoja dva razliita metala s

razliitim temperaturama, to je princip rada termoparova koji se koriste za

mjerenja temperature. Ako se izmeu dva razliita provodnika ugradi galvanski element i zatvori strujni krug, tada e se na jednom kraju

provodnika energija predavati okolici, a na drugom kraju oduzimati iz okolice. Kod ovog procesa koliina toplotne energije predate okolici, ili

energije oduzete od hlaenog sredstva srazmjerna je koliini elektriciteta,

to proizlazi iz Peltierovog efekta. Naime, Jean Peltier je 1834. godine pronaao da strujanje fluida oko spoja dva razliita metala ima za

posljedicu da je jedan njegov kraj topliji, a drugi hladniji.


Pored ove sutinske podjele rashladnih postrojenja ili ureaja, oni se

mogu podijeliti prema kapacitetu, oblicima termodinamskih ciklusa, temperaturnom nivou s kojeg se energija odvodi od hlaenog sredstva, kao i

fizikog stanja radnog medija. Najiru primjenu u tehnici hlaenja imaju kompresorska rashladna

postrojenja kod kojih se kao radni medij koristi realan fluid i njegove pare, zbog toga panja i termodinamske osnove e biti date samo za rad

kompresorskih parnih rashladnih postrojenja ili ureaja.

9-2 Carnotov rashladni ciklus Lijevokratni Carnotov kruni ciklus najbolji je mogui nain podizanja toplote

sa nieg na vii temperaturni nivo uz utroak rada. Shema rashladnog

postrojenja data je na slici 9-2, a na slici 9-3 dat je odgovarajui T-s dijagram lijevokratnog Carnotovog krunog ciklusa s vlanom i suhozasienom parom

rashladnog medija.

Karakteristine promjene stanja rashladnog medija su:

proces 1-2, izentropska kompresija pare, proces 2-3, izotermno odvoenje toplote i kondenzovanje pare, proces 3-4, izentropska ekspanzija kondenzata,

Rashladna komora

2

1

kondenzator

3

4

Th T

ekspanzioni ureaj

kompresor

Slika 9-2 Shematski prikaz rashladnog postrojenja


175

proces 4-1, izobarno-izotermno dovoenje toplote i isparavanje vlane pare.

U izoliranoj rashladnoj komori temperatura hlaenja Th nia je od temperature okolce Tok, te e prema drugom zakonu termodinamike uvijek dolaziti do prodiranja toplote iz okolice u rashladnu komoru. Da bi se temperatura u komori Th odrala na eljenom nivou, neprestano se mora ispumpavati koliina toplote koja prodire u istu. Odvoenje te toplote obavlja se

isparivaem u kojem vlada takav pritisak da se isparavanje radnog medija vri

na nioj temperaturi od temperature hlaenja, to jest TiP2

2

4

3

Slika 9-3 Shematski prikaz Carnotovog rashladnog ciklusa


prikazan izotermom-izobarom, proces 4-1. Radni medij se zatim adijabatski komprimira od stanja 1 do stanja 2. U stanju 2 pritisak je toliki da je temperatura kondenzacije Tk radnog medija vea od temperature okolice Tk>Tok. Samo za Carnotov lijevokratni kruni ciklus je Tk=Tok. Uz navedeni uvjet omogueno je predavanje toplote u okolinu, to jest okolnom zraku ili

rashladnoj vodi. U T-s dijagramu taj proces je prikazan izotermom-izobarom, proces 2-3. Ciklus se zatvara adijabatskom ekspanzijom, proces 3-4, u ekspanzionom ureaju. Na ovaj nain radnom mediju se ponovo sniava

pritisak na vrijednost koja odgovara temperaturi isparavnja, to jest Ti


177

i u T-s dijagramu predstavljen je povrinom 12341. Ocjena rada procesa hlaenja daje se preko koeficijenta hlaenja, koji

predstavlja odnos kapaciteta hlaenja, jednaina [ ]69 , i potrebnog rada lijevokratnog krunog ciklusa, jednaina [ ]79 ,

hok

h

neto

h

C,hTT

T

l

q

== , hok TT > . [ ]89

Dobijeni izraz pokazuje da koeficijent hlaenja lijevokratnog Carnotovog

ciklusa ne zavisi od osobina radnog medija. Njegova vrijednost e biti vea

ukoliko je via temperatura na kojoj se odvija proces hlaenja Th i ukoliko je manja razlika temperature okolice i hlaenja, to jest ( ) 0

hokTT . Zbog toga

vai pravilo: nikada ne treba hlaeno sredstvo hladiti do temperatura niih

od potrebne. U jednaini [ ]89 prisutne su samo bilansne jednaine prvog zakona termodinamike, zbog toga koeficijent hlaenja moe biti kako vei tako i

manji od jedinice. Ovako izvedena ovisnost nije uzela u obzir drugi zakon termodinamike i na osnovu njega definirane razlike u kvalitetu pojedinih oblika energije, tako da se koeficijentom hlaenja ne mogu analizirati

termodinamski gubici. Lijevokratni Carnotov ciklus nije praktino ostvarljiv iz slijedeih

razloga:

veoma je teko komprimirati vlanu paru (dvofazna mjeavina) da bi se dobilo njeno suhozasieno stanje, ili pak pregrijanoj pari izotermno, proces

2-B na slici 9-3b, odvoditi toplotu uz istovremenu promjenu pritiska, ekspanzioni ureaj, u kojem ekspandira prokljuala tenost stanja 3,

takoer treba da radi sa dvofaznom mjeavinom, ima velike gubitke i skup je, kao takav, element instalacije.

9-3 Idealni rashladni ciklus Korekcije teoretskog lijevokratnog Carnotovog ciklusa omoguile su tehniku,

odnosno praktinu realizaciju procesa hlaenja. Na slici 9-4 data je principijelna shema stvarnog kompresorskog rashladnog postrojenja, a na slici


9-5 odgovarajui T-s dijagram. Potekoe u praktinoj realizaciji lijevokratnog Carnotovog ciklusa otklonjene su na slijedei nain:

proces isparavanja rashladnog sredstva realizuje se do suhozasienog stanja i tek onda komprimira, tako da kompresor radi samo sa parnom fazom radnog medija. Praktino, to se postie separatorom pare i tene

faze, proces kondenzacije pregrijane pare, proces 2-B-3 u T-s dijagramu na slici

9-5, izvodi se izobarno, ekspanzioni ureaj je zamijenjen prigunim - regulacionim ventilom.

Kompresor usisava suhozasienu paru iz separatora stanja 1 i

komprimira je do pritiska u kondenzatoru rashladnog postrojenja. Pregrijana para stanja 2 izobarno se hladi predajui toplotu okolici, ponoru toplote na

viem temperaturnom nivou, prelazei u prokljualu tenu fazu stanja 3.

qdov = qi

6 5

4

3

1

2

qodv = qk

lkomp

kompresor

kondenzator

priguni ventil

separator

rashladna komora s isparivaem

Slika 9-4 Shematski prikaz kompresorskog rashladnog postrojenja


179

Tena faza se priguuje, u regulacionom prigunom ventilu, do pritiska u rashladnoj komori postrojenja. Pri procesu priguivanja fluidu opada pritisak i temperatura, entalpija je konstantna, a entropija se poveava. Nakon

priguivanja tena faza prelazi u vlanu paru, dvofaznu mjeavinu, koja se uvodi u separator u kojem se razdvaja tena i plinska faza rashladnog medija.

Tako separirana tena faza rashladnog medija uvodi se u rashladnu komoru

stanja 5, koja isparava i prelazi u vlanu paru stanja 6, oduzimajui hlaenom

sredstvu toplotu za svoje isparavanje. Vlana para stanja 6 ponovo se uvodi u separator, jer nije mogue ostvariti potpuni proces isparavanja u komori do

stanja suhozasienosti. Iz separatora suhozasiena para stanja 1 uvodi se u

kompresor i na taj nain se ciklus zatvara sa mogunou stalnog ponavljanja.

Povratni adijabatski rad kompresije, proces 1-2, jeste

1212hhllkomp == . [ ]99

U kondenzatoru pregrijana para se hl adi u procesu 2-B i kondenzuje u procesu B-3, te na taj nain radni medij predaje toplotu okolici

322323rhhhhqq Bodv +=== , [ ]109

gdje je r3 = f(T3,P3) - latentna toplota kondenzovanja pare.

Slika 9-5 Shematski prikaz rashladnog ciklusa

c T

s

Tk

Th

x4 1 6 4 4

3 2

Pi

Pk

Bh3=h4

5


Proces priguivanja, proces 3-4, odvija se s porastom entropije i ima nepovratan karakter, to umanjuje rashladni uin postrojenja. Izabrani pritisak

na kraju priguivanja uvjetovat e i temperaturnu vrijednost vlane pare. Na

ovaj nain, padom pritiska od P3 do P4 regulie se temperatura rashladnog medija, temperatura hlaenja i temperatura kljuanja u isparivau rashladne

komore. Dakle, za proces priguivanja vai

43hh = ,

34ss > . [ ]119

Rashladni medij u isparivau rashladne komore isparava i troi toplotu

hlaenog sredstva, to je i cilj procesa hlaenja. Pretpostavljajui da se

dovedena toplota rashladnom mediju, ili odvedena toplota od hlaenog

sredstva, utroi samo na faznu transformaciju rashladnog medija, tada je ona jednaka

( ) ( )44564141

1 xrhhnhhqqq hdov ===== , [ ]129 gdje je: n - koeficijent cirkulacije i predstavlja odnos protoka kroz ispariva i priguni ventil, r4 - latentna toplota isparavanja na temperaturi T4 i pritisku Pi, x4 - vlanost pare i hq - kapacitet hlaenja, koji je jednak koliini

dovedene toplote rashladnom mediju. Koeficijent hlaenja, koji predstavlja odnos kapaciteta hl aenja i rada

kompresora, stvarnog kompresorskog rashladnog postrojenja dat je slijedeom

relacijom

( )12

44

12

411

hh

xr

hh

hh

l

q

komp

dov

h

=

== . [ ]139

Izborom fluida, pogodnog za procese hlaenja, moe se uticati na latentnu toplotu isparavanja rashladnog medija. Smanjenje stepena vlanosti

pare mogue je ostvariti putem smanjivanja razlike temperature

kondenzovanja i hlaenja ili pothlaivanjem kondenzata prije njegove

ekspanzije u priguno-regulacionom ventilu. Proces pothlaivanja praktino se izvodi pomou izmjenjivaa toplote, koji postaje novi element rashladne

kompresorske instalacije. Uporeivanjem koeficijenata hlaenja Carnotovog ciklusa, jednaina

[ ]89 , i stvarnog rashladnog ciklusa, jednaina [ ]139 , moe se zakljuiti da je koeficijent Carnotovog ciklusa vei za iste temperaturne nivoe hlaenja Th i


181

kondenzovanja Tk. Krajnji cilj procesa hlaenja je postizanje to veeg kapaciteta hlaenja ili to nie temperature hlaenja za unaprijed izabrani

kapacitet hlaenja uz najmanji utroak rada kompresora. Treba znati da se

proces hlaenja moe dogoditi samo ako su ispunjeni slijedei uvjeti:

hi TT < , okk TT > , [ ]149

gdje je: Ti - temperatura isparavanja radnog medija, Th - zadata temperatura hlaenja, Tk - temperatura kondenzacije radnog medija i Tok - temperatura zraka ili rashladne vode.

9-4 Varijacije idealnog rashladnog ciklusa Zadovoljenje i realizacija razliitih praktinih ciljeva, neostvarivih prostim

stvarnim rashladnim ciklusom, mogui su varijacijama osnovnog

kompresorskog rashladnog ciklusa, naprimjer: pothlaivanjem kondenzata,

viestepenom kompresijom sa meuhlaenjem, kaskadnim uvezivanjem vie

rashladnih jedinica, itd.

9-4-1 Rashladni ciklus s podhlaivanjem kondenzata Na slici 9-6 je data principijelna shema postrojenja sa pothlaivanjem kondenzata, a na slici 9-7 odgovarajui T-s dijagram. Mogue je razmotriti dvije varijante; prva, kada se koristi izmjenjiva toplote za pothlaivanje kondenzata, ciklus 1-2-3-4-5-6, i druga, kada se koristi ciklus bez pothlaivanja kondenzata, ciklus 6-6-3-3, a to je ve analizirani stvarni rashladni ciklus. Rashladni ciklus s pothlaivanjem kondenzata ostvaruje se tako to se pregrijana para stanja 1 adijabatski komprimira do pritiska P2. Komprimirana para u kondenzatoru se hladi, proces 2-B, a zatim i kondenzuje, proces B-3. Kondenzat stanja 3 u izmjenjivau toplote pothlauje se, proces 3-4, u jednom izobarnom procesu. Nakon toga, pothlaeni kondenzat se uvodi u priguni ventil s ciljem da se radnom mediju obori pritisak do pritiska isparavanja u rashladnoj komori P5. Toplota hlaenog sredstva u isparivau predaje se vlanoj pari rashladnog medija ( )1

5


Slika 9-6 Shematski prikaz rashladnog postrojenja s pothlaivanjem kondenzata

B 6

c

4

1

T

2 3

5 6 3

Tk

Th x5

Pi

Pk

Slika 9-7 Shematski prikaz rashladnog ciklusa s pothlaivanjem kondenzata

qdov = qi

6

4

3

1

2 qodv = qk

lkomp kondenzator

priguni ventil


5

izmjenjiva toplote


183

Dovedena toplota ciklusu, odnosno radnom mediju, ili kapacitet hlaenja ciklusa s pothlaivanjem je

( )555656

1 xrhhqqq hdov ==== , [ ]159

gdje je 5

r - latentna toplota isparavanja, a 5

x - stepen vlanosti pare.

Odvedena toplota rashladnom ciklusu u okolicu sistema u jednom izobarnom procesu 2-B-3 je

2323hhqqq kodv === . [ ]169

Razmijenjena toplota u izmjenjivau toplote, u kojem se vri pothlaivanje kondenzata suhozasienom parom stanja 6 jeste

613434hhhhq == . [ ]179

Dovedni rad rashladnom ciklusu povratnom adijabatskom kompresijom je

1212hhllkomp == . [ ]189

Koeficijent hlaenja kompresorskog rashladnog postrojenja s

pothlaivanjem kondenzata je

( )12

55

12

56

12

1

hh

xr

hh

hh

l

qhh

=

== . [ ]199

Ovakvim tehnikim inoviranjem stvarnog rashladnog ciklusa postignuto je slijedee: kapacitet hlaenja je povean, jer je

6356 'qq > , rad kompresora u oba je sluaja isti, jer je

6612hhhh ' = , ali je

pregrijana para stanja 1 pogodnija za komprimiranje od suhozasiene pare.

9-4-2 Kaskadni rashladni ciklus Postoje industrijske aplikacije koje zahtijevaju niske temperature u granicama od 250C do 750C. U ovim postrojenjima razlika izmeu temperature


isparavanja i kondenzovanja prilino je velika i nije je mogue ostvariti u jednom rashladnom ciklusu. Za prevazilaenje ovog problema koristi se

kaskadni sistem, koji predstavlja kaskadno uvezivanje vie osnovnih ciklusa u jedan kaskadni sistem, na takav nain da kondenzator nieg temperaturnog ciklusa osigurava toplotni ulaz za ispariva vieg temperaturnog ciklusa. Iako

je na slici 9-8 prikazana kaskada od dviju jedinica, u praksi se koriste kaskade od triju i vie jedinica, naravno ukoliko je to potrebno. U cilju ostvarenja odgovarajuih ili zadatih pritisaka i temperatura mogue je koristiti razliit rashladni medij u svakom odvojenom ciklusu u

kaskadi, to se u praksi vrlo esto i radi. Na slici 9-9 dat je shematski prikaz T-s dijagrama idealnog dvostrukog kaskadnog rashladnog ciklusa s istim rashladnim medijem. Ako se u kaskadama koriste razliiti rashladni mediji,

onda je potrebno praviti i odvojene T-s dijagrame. U ovoj analizi je korien isti rashladni medij u obje kaskade, zbog

lakeg objanjenja prednosti kaskadnog sistema u odnosu na stvarni jednostepeni rashladni ciklus. Pozicije ciklusa A(1-2-3-4) i ciklusa B(5-6-7-8), uvezani u jedan kaskadni sistem, date su na slici 9-8.

ispariva

qdov = qh

6

4

3

1

qodv = qk

lkomp,B

kondenzator


5

2

lkomp,A priguni

ventil kaskade - A

7

8

KASKADA - B

KASKADA - A

priguni ventil

kaskade - B

kompresor - B

kompresor - A

kondenzator

Slika 9-8 Shematski prikaz kaskadnog rashladnog postrojenja


185

Maseni protok rashladnog medija u ciklusima A i B obino nije isti, bez obzira da li su im rashladni mediji isti ili razliiti. Maseni protok mA fiksan je za kapacitet hlaenja u isparivau ciklusa A, uz uvjet da je odvedena toplota

od kondenzatora ciklusa A jednaka primljenoj toploti u isparivau ciklusa B. Pored ovog uvjeta pretpostavlja se potpuna izolacija izmjenjivaa toplote

ispariva-kondenzator. Zanemarujui promjenu kinetike i potencijalne energije rashladnog

medija, energetski bilans za stacionarno stanje u izmjenjivau toplote ispariva-kondenzator je

( ) ( )8532

hhmhhm BA = . [ ]209 Ako bi se prosti rashladni ciklus mogao iskoristiti za postizanje krajnjih temperaturnih nivoa, onda bi bio predstavljen ciklusom 1-a-7-b-1, na slici 9-9. Ukoliko se ovaj ciklus uporedi s kaskadnim ciklusom 1-2-5-6-7-3-4-1, onda su znaajna i oigledna dva efekta. Prvo, za prost ciklus rad kompresora je vei za povrinu 2a65 u poreenju s kaskadnim sistemom. Drugo, za isti maseni protok kroz niskotemperaturni ispariva manji je rashladni kapacitet prostog rashladnog ciklusa za povrinu 4bdc u odnosu na kaskadni sistem. Ova dva efekta rezultiraju veim koeficijentom hlaenja kaskadnog sistema u odnosu

na prosti rashladni ciklus.

c T

7

5 8

s

Tk

Th

c d

b 1

2

a 6

4

3

Slika 9-9 Shematski prikaz kaskadnog rashladnog ciklusa


9-4-3 Rashladni ciklus s dvostrukim isparavanjem

U modernom kuanskom aparatu hladnjak-lednjak, rashladna sekcija odrava temperaturu od 10C do 30C , dok sekcija lednjaka odrava temperature i do 180C. Navedeno se postie na dva naina. Prvi, isparavanje se vri samo u sekciji lednjaka, zatim se hladan zrak iz lednjaka transferira u sekciju hladnjaka da odrava taj region na zadatoj temperaturi. Iako ovaj nain

funkcionira dobro, ipak je s energetskog aspekta nezadovoljavajui. Naime, znaajni dio toplote je potrebno dovesti rashladnom mediju na temperaturi

hlaenja, a u ovom sluaju dovoenje toplote rashladnom mediju vri se samo

na temperaturi leenja, to proizvodi energetski nedostatak za cijeli rashladni ciklus. Drugi nain, predmet analize, odstranjuje nedostatak prvog na taj nain

to se isparavanje vri i na temperaturi hlaenja i na temperaturi leenja.

Naime, radi se o rashladnom ciklusu koji ima dvostruku ekspanziju i isparavanje, ali samo s jednom kompresijom. Principijelna shema rashladnog postrojenja s dvostrukim isparavanjem data je na slici 9-10, a odgovarajui shematski prikaz T-s dijagrama na slici 9-11.

qlednjaka 6

3

1

qodv = qkond

lkomp

kondenzator

priguni ventil

lednjaka

5

4

priguni ventil

hladnjaka

qhladnjaka

2

Slika 9-10 Shematski prikaz rashladnog postrojenja s dvostrukim isparavanjem


187

9-5 Eksergetski stepen iskorienja rashladnih postrojenja Lijevokratnim krunim procesima moe se postii temperatura nia od

temperature okolice. To se postie utrokom rada i njegovim pretvaranjem u anergiju toplote. Prema prvom zakonu termodinamike za lijevokratni kruni

ciklus vai

kompdovodv lqq += . [ ]219 Kod povratnih promjena stanja dovedeni rad jednak je eksergiji toplote i prema drugom zakonu termodinamike vai

=== 1

h

ok.pov,dov

dovqx.pov,dov.pov,komp

T

Tqell . [ ]229

Kod nepovratnih promjena stanja dovedeni rad e biti vei od dovedenog

rada povratnih procesa i to za iznos gubitka eksergije

( ) ( )gubitakxdovqxnepov,dov.nepov,komp

eell +== . [ ]239

B

c

4

1

T

2

5

3

6

Slika 9-11 Shematski prikaz rashladnog ciklusa s dvostrukim isparavanjem


Toplota predata okolini odvq se dobija kao zbir anergije toplote u

rashladnom sredstvu ( )dovqn

a i anergije proizvedene tokom nepovratnih

procesa

( ) ( )gubitakxqnodv

eaqdov

+= . [ ]249 Jednaine [ ]239 i [ ]249 pokazuju da e zbog nepovratnih procesa biti potrebno dovesti vie rada i odvesti vie toplote u okolinu sistema. Eksergetski stepen iskorienja procesa hlaenja, definiran kao odnos potrebne eksergije

za povratan proces i utroenog rada kompresora u nepovratnom procesu, za lijevokratni kruni ciklus jeste

( )1=

.nepov.,komp

dovqx

h,exl

e. [ ]259

Iz jednaine [ ]259 sasvim je jasno da eksergetski stepen iskorienja bit e blii jedinici, to procesi budu izvedeni s manjim gubicima eksergije. Samo

za lijevokratni Carnotov ciklus je 1= h,ex . Za rashladne cikluse izvedene izmeu temperature okoline Tok i temperature hlaenja Th, odnos izmeu koeficijenta hlaenja izabranog ciklusa

h i koeficijenta hlaenja Carnotovog rashladnog ciklusa C,h jeste

C,h

hh

= . [ ]269

Jednaina [ ]269 predstavlja mjeru za eksergetski stepen efikasnosti rada rashladnog postrojenja, jer se zasniva na drugom zakonu termodinamike i uzima u obzir termodinamske gubitke tokom razmatranih procesa. Iz jednaine [ ]269 moe se zakljuiti da e se kod stvarnih procesa uvijek javljati gubitak eksergije. Zbog toga, u svim izvedenim jednainama koje nisu uzele u obzir nepovratnost moraju biti korigirane popravnim koeficijentima da bi se idealizirani procesi sveli na realne promjene stanja.


189

9-6 Efekat nepovratnosti kod kompresije Nepovratnost u protoku fluida kroz kompresor vodi poveanju entropije fluida tokom procesa kompresije. Pored poveanja entropije poveava se i

temperatura na izlazu iz kompresora u odnosu na idealizirani sluaj, to je na

slici 9-12 prikazano promjenom od stanja 1 do stanja 2a. Za ovaj nepovratni sluaj stvarno izlazno stanje iz kompresora moe biti procijenjeno pomou

koeficijenta efikasnosti adijabatske kompresije

12

12

hh

hh

a

skomp,a

= . [ ]279

Ako je odvoenje toplote iz kompresora in tenzivno dovoljno, onda stvarana entropija fluida u kompresoru na izlazu moe biti manja nego na

ulazu, to je na slici 9-12 prikazano promjenom od stanja 1 do stanja 2. Da li se entropija poveava ili smanjuje u kompresoru, zavisi od relativnog

doprinosa trenja prema prijenosu toplote. Neto prijenos toplote iz kompresora je koristan, jer taj efekat smanjuje prosjeni specifini volumen u toku

kompresije. Smanjenje specifinog volumena ima za posljedicu manje

uloenog rada. Stanje '2 odreuje se eksperimentalno ili iz politropskog modela procesa. Korienje jednaine [ ]279 za procjenu uinka kompresije nije prikladno kada se javlja prijenos toplote.

Slika 9-12 Shematski prikaz efekta nepovratnosti i odvoenja toplote pri procesu kompresije

T

s

c

1 4

3

2a 2s

h3=h4


9-7 Rashladna sredstva U kompresorskim rashladnim postrojenjima za odabrano rashladno sredstvo temperature isparavanja i kondenzacije odreuju radni pritisak u postrojenju.

Iz navedenog slijedi da izbor rashladnog sredstva djelimino zavisi od odnosa

temperature zasienja i pritiska zasienja. Minimalni pritisak u rashladnoj instalaciji bi trebao biti iznad 1atm kako bi se izbjegao prodor zraka iz okolice. Maksimalni pritisci u rashladnim instalacijama iznad 20bara mogli bi biti nezadovoljavajui u pogledu sigurnosti i cijene rashladnog postrojenja. Uvjete koje bi rashladni medij trebao ispuniti da bi bio prihvatljiv jesu: netoksinost, stabilnost, nekorozivnost, nezapaljivost, niske cijene i da ima

relativno visoku entalpiju isparavanja na temperaturi hlaenja. Navedeni uvjeti

limitiraju broj jedinjenja koja bi mogla biti pogodna kao rashladno sredstvo. S druge strane, zbog raspona primjene rashladnih postrojenja niti jedna supstanacija nije pogodna za sve sluajeve. U poetnom razvoju rashladnih postrojenja kao radni medij su korieni sumpordioksid, amonijak i etil-eter. U ranim 1930.-im godinama vjetake supstancije chlorofluorocarbons (CFCs) predloene su kao zamjena prethodno navedenim toksinim supstancijama. One predstavljaju halogene derivate

parafinskih alifatinih ugljikovodika, prije svega metana i etana, s najeim

supstituentima fluorom i hlorom, a rijetko bromom. Njihove su ope

karakteristike: relativno mala vrijednost latentne toplote isparavanja na temperaturi hlaenja, ne suvie niski pritisci na temperaturi isparavanja, umjereno visoki kritini pritisci i temperature, niska temperatura ovravanja,

mala zapaljivost, hemijska stabilnost, smanjena otrovnost, bezbojnost, bez mirisa su, sposobnost da grade azeotropne rastvore pogodne za procese hlaenja i dostupni su. CFCs supstancije veoma su brzo prihvaene ne samo kao rashladni mediji u rashladnim postrojenjima ve su nale primjenu i u

slijedeim sluajevima: kao sredstva za sterilizaciju hirurkih instrumenata, u

proizvodnji dezodoransa i sprejeva, proizvodnji izolacijske pjene, sredstva za ienje elektrinih komponenti, itd. Standardom, publiciranim 1957. godine, uveden je jedinstven sistem oznaka za sva mogua rashladna sredstva. Difluordihlormetan (CF2Cl2) moda je najrairenije korieni CFCs, i ima oznaku R-12. Ovo rashladno sredstvo je poznato i pod drugim nazivima: Centron 12, Freon 12 ili Isotron 12. Istraivanja u kasnim 1980-im godinama pokazala su da navedena jedinjenja iscrpljuju zatitni ozonski omota (O3), to ima za posljedicu globalano zagrijavanje Zemlje i stvaranje efekta staklene bae. Navedena istraivanja su pokazala da hlor iz CFCs supstancija reaguje sa ozonom i troi ga. Prirodni zadatak ozonskog omotaa je apsorpcija energije


191

ultravioletnog zraenja Sunca. Smanjenje koncentracije ozona u ozonskom omotau ima za posljedicu proputanje ultravioletnog zraenja Sunca do

Zemljine povrine. Medicinski je dokazano da upravo ova vrsta zraenja

izaziva rak koe kod ovjeka. Nakon ovih znaajnih saznanja o posljedicama upot rebe CFCs supstancija, organizirano je nekoliko internacionalnih naunih konferencija

ciljem diskusije i iznalaenja moguih rjeenja. Rezultati su takvi da je irom

svijeta poela faza prestanka proizvodnje i korienja CFCs supstanci. Naprimjer, u SAD-u je zabranjena upotreba CFCs supstancija kod proizvodnje kozmetikih proizvoda (dezodoransi, sprejevi), a 2000. godina je oznaena kao godina prestanka primjene CFCs supstancija. Oigledno, ako se CFCs supstance iskljue sa trita i upotrebe; rashladna oprema dizajnirana da radi sa CFCs supstancama mora biti modificirana za alternativna rashladna sredstva. Modifikacija opreme je skupa, a karakteristike opreme mogu biti sauvane ako je alternativno sredstvo

priblinih karakteristika orginalnom. Nema jo adekvatne zamjene CFCs supstancama, a da pri takvoj zamjeni nije potrebna modifikacija postrojenja. Hydrochlorofluorocarbons ili HCFCs supstancije su prijelazna rjeenja, koja imaju manji potencijal za iscrpljivanje ozonskog sloja i imaju sve osobine da budu dobra rashladna sredstva. Ipak, sva jedinjenja koja sadre hlor imaju

negativan uticaj na ozonski omota; meutim, molekule HCFCs jedinjenja imaju krai atmosferski ivot. Prisustvo vodonika u mjeavini destabilizuje

ova rashladna sredstva u podizanju u slojeve atmosfere, tako da HCFCs jedinjenja ne doseu gornje slojeve atmosfere u kojima se nalazi ozon. Njihov

je uticaj na ozonski omota minimalan, ali ipak ona predstavljaju samo

prijelazno rjeenje. Hlorodiflormetan (CHClF2) najire je korieni HCFCs rashladno sredstvo, oznaeno kao R-22. Rashladno sredstvo R-22 mnogo je povoljnije za okolicu i ozonski omota u odnosu na R-12. Navedeno ipak znai da problem jo nije definitivno rijeen. Stoga, treba znati da novo

rjeenje mora biti bez sadraja hlora u mjeavini. Hydrofluorocarbons ili HFCs jedinjenja su mogua zamjena za iroko rasprostranjena rashladna sredstva R-12 i R-22. Ova rashladna jedinjenja sadre samo ugljenik, vodonik i flor. Rashladni medij tetrafluoroethane (CF3CFH2), oznaen s R-134a, zamjena je za R-12. Ova netoksina i nezapaljiva mjeavina ve je adaptirana i iroko primijenjena u automobilskim

klima-ureajima, ali, mnogo vanije, ovo rashladno sredstvo R-134a nije prijetnja stabilnosti ozonskog omotaa.


9-8 Ciklus toplotnih pumpi Lijevokratni kruni ciklusi osnova su i za rad toplotnih pumpi. Naime, kod

rashladnih procesa iskoritava se uinak hlaenja odvodei toplotu od hladnog

izvora, sredstva kojem se eli sniziti temperatura, i predajui je izvoru na viem temperaturnom nivou, obino okolici, uz obavezno dovoenje rada.

Kod toplotnih pumpi iskoritava se efekat grijanja na povienom temperaturnom nivou tako da se odvedena toplota od hladnog izvora uz pomo dovedenog rada predaje u kondenzator, a zatim odvodi iz njega i koristi za grijanje kua ili komercijalnih prostora. Da bi se ciklus toplotnih pumpi mogao odvijati, to vai i za rashladne

cikluse, nuno je da temperatura isparavanja radnog medija Ti bude nia od temperature sredstva kojem se oduzima toplota Th, a temperatura kondenzacije radnog medija Tk mora biti via od temperature sredstva kojem se predaje toplota Tok i kojeg treba zagrijati. Koncept modernih toplotnih pumpi takav je da se ista jedinica moe

koristiti i za zagrijavanje i za hlaenje. Na slici 9-13 dat je odvojen shematski prikaz principa rada toplotne pumpe kada se ona koristi za zagrijavanje, odnosno za hlaenje, a na slici 9-14 odgovarajui T-s dijagram. Odvedena toplota ili toplota kondenzacije u ciklusu je

32hhqq

kodv== . [ ]289

Dovedena toplota ili toplota isparavanja u ciklusu je

41hhqq idov == . [ ]299

Povratni adijabatski rad kompresora je

12hhlkomp = . [ ]309

Kada se toplotna pumpa korist i za hlaenje, tada je njen koeficijent hlaenja

12

41

hh

hhTP,h

= . [ ]319

Kada se toplotna pumpa koristi za grijanje, tada je njen koeficijent grijanja


193

12

32

hh

hhTP,g

= . [ ]329

Primjena toplotnih pumpi za grijanje ili hlaenje prvenstveno je

ekonomski problem. Naime, u podrujima ili dravama gdje je cijena

elektrine energije prihvatljiva, a koja se koristi za pogon kompresora, toplotne pumpe nalaze primjenu i za zagrijavanje i za hlaenje stanova i

industrijskih hala. U mnogim industrijskim procesima potrebno je ili zagrijavanje ili hlaenje, tako da se i u ovim sluajevima mogu koristiti

toplotne pumpe. Meutim, toplotne pumpe ne bi trebale biti upotrijebljene bez prethodnog istraivanja ekonominosti predloene instalacije. Kada se toplotna pumpa koristi za klimatizaciju ili hlaenje prostora, tada

je ispariva unutar, a kondenzator je izvan zgrade. Meutim, ako se toplotna

pumpa koristi za zagrijavanje, tada je raspored isparivaa i kondenzatora

obrnut. Ako bismo pomou toplotne pumpe ljeti hladili, a zimi zagrijavali isti

prostor, prema navedenom, trebali bismo imati dva razliita seta postrojenja toplotne pumpe. Ali, mogua je izvedba postrojenja toplotne pumpe takva da

svaki izmjenjiva toplote, jedan unutra i jedan van zgrade, bude, zavisno od

potrebe, i ispariva i kondenzator, to se postie ukljuivanjem regulacionog

ventila u instalaciju toplotne pumpe. Unapreenje rada toplotne pumpe, kada se ona naprimjer koristi za

zagrijavanje, mogue je poveanjem temperature hladnog izvora Th. Kombinirajui rad solarnog kolektora i toplotne pumpe mogue je praktino

ostvariti navedeni uvjet. Naime, protokom fluida u solarnom kolektoru akumulira se toplotna energija Sunca u izolirani rezervoar u kojem je smjeten ispariva toplotne pumpe, tako da radni medij unutar sistema toplotne pumpe

isparava na vioj temperaturi. Mada ova kombinacija zahtijeva vie opreme, ipak, solarno potpomognuta toplotna pumpa ima mnogo vii koeficijent grijanja u odnosu na sluaj kada se ispariva nalazi u okolnom zraku. U ovom

sluaju za isto toplotno optereenje ili kapacitet bit e potrebno dovesti mnogo

manje rada, odnosno mnogo manje utroiti elektrine energije za pogon kompresora. Hlaenje i odgovarajua oprema, hladnjaci, u upotrebi su najveeg broja

stanovnika industrijaliziranih zemalja svijeta, ali i upotreba toplotnih pumpi kombinovana s opremom za klimatizaciju u stalnom je porastu.


qdov 4 1

qodv

lkomp

3

priguni ventil

2

PROSTORIJA

okolica

qodv

4

3

qdov

priguni ventil

PROSTORIJA

lkomp

1

2

okolica

a) toplotna pumpa se koristi za zagrijavanje

Slika 9-13 Principijelna shema rada toplotne pumpe

b) toplotna pumpa se koristi za hlaenje


195

Slika 9-14 Shematski prikaz ciklusa toplotne pumpe

c

4 1

T

s

2s 3

h3 = h4

Tk

Ti

Documents

termodinamika, thermodynamics, nagib neimarlija ch 9