138

14. Levokretni kruni procesi 14.1 Uvod

Pr. (mehaniki)- Reverzibilna hidrocentrala Bajna Bata spontano, zbog razlike u potencijalnim energijama, javlja protok vode analogija sa desnokratnim krunim procesima

U sluajevima kada ima vika struje u sistemu radi kao pumpa (troi struju) i stvara akumulaciju vode analogija sa levokratnim krunim procesima

Opta ema energetskih tokova levokretnih krunih procesa

iTToplotni izvor

Toplotni ponor

Qprim( )prim

Qpred( )pred

pT > iT

Dopunska energija potrebnaza ostvarivanje levokretnogkruznog procesa

Radni fluid

Svrha postojanja levokretnih krunih procesa je:

Hlaenje nesavreno (toplotno) izolovanih prostora hladnjae, friideri, razne prostorije u letnjem periodu i namensko hlaenje (postupci zamrzavanja proizvoda, pravljenje leda,...) razliitih materija na temperature nie od temperature okolnog prostora

Grejanje obino samo za zagrevanje prostora nadoknaivanje toplotnih gubitaka

139

Podela Prema vrsti principu rada:

absorpcione dopunska energija toplota ejektorske dopunska energija kinetika energija kompresione dopunska energija mehaniki rad

Prema vrsti radnog fluida kompresiona prostorija se deli:

gasna idealan gas vazduh parna realan gas 2CO , 3NH , R11, R12 , R22 , ...

14.2 Kompresiona postrojenja levokretnih krunih procesa Dopunska energija mehaniki rad (mehanika snaga)

Ukoliko slue za hlaenje, mera (energetskog) kvaliteta levokretnog krunog procesa opisuje se stepenom (ili koeficijentom) hlaenja

prim primh

kp kp

QP W = = eljeno energetsko dejstvo TDS na okolinu

neophodno energetsko dejstvo okoline na TDS =

h RCOP = - Coefficient Of Performance of Refrigerator

prim rashladna snaga ili rashladni uinak postrojenja kpP . mehanika snaga potrebna za ostvarivanje krunog procesa

Ukoliko slue za grejanje, mera (energetskog) kvaliteta levokretnog krunog procesa opisuje se stepenom (ili koeficijentom) grejanja

pred predg

kp kp

QP W = = eljeno energetsko dejstvo TDS na okolinu

neophodno energetsko dejstvo okoline na TDS =

g HPCOP = - Coefficient Of Performance of Heat Pump prim grejna (toplotna) snaga ili grejni (toplotni) uinak postrojenja kpP . mehanika snaga potrebna za ostvarivanje krunog procesa

140

Prikaz u p v i T s koordinatnom sistemu

p

Q = 0B

A

1 2

Vmin Vmax

Qprim

Qpred

V

Q = 0

T

B

A1

2

VmaxQprim

Qpred

S

Vmin

Matematiki pozitivan smer Slike su sline za sve vrste gasova (idealne, poluidealne, realne)

Analiza levokretnih procesa Prvim principom termodinamike (zatvoren TDS)

Posmatra se prost zatvoren termodinamiki sistem (npr. cilindar sa klipom i gasom u njemu)

dVQ W U+ = integraljenjem po zatvorenoj konturi, od polaznog stanja(1) do krajnjeg stanja (1):

1 2 1 ,1 2 1 1 1

vai i za sve ostaleveliinestanja

0A B V A BQ W U U + = =

1 2 2 1 kp 0A BQ Q W + + = prim pred kp 0Q Q W + =

kp pred primW Q Q= Na osnovu ovoga sledi:

prim primh

kp pred prim

Q QW Q Q

= =

pred predg

kp pred prim

Q QW Q Q

= =

141

Qpred

T

S

2

1

Qprim

T

S

2

1

T

1

2Wkp

S

+

kp dW T S= v Tokom levokretnog krunog procesa, veu koliinu toplote radni fluid preda okolini, nego to okolina preda radnom fluidu

kp pred primW Q Q=

B

A

1

Vmin Vmax V

Q = 0

2

Q = 0

p

Wk p+

p

Q = 0B

A

1 2

max

V

Wk p

D

C

p

pmin

Q = 0

+

kp dW p V= v kp , 2 , 1V A B V B AW W W = + kp ,uloen ,izvrenV VW W W= +

ili

kp ,uloen ,izvrenV VW W W=

kp dW V p= v kp teh, 2 , 1C D V D CW W W = + kp teh,uloen teh,izvrenW W W= +

ili

kp teh,uloen teh,izvrenW W W= Tokom levokretnog krunog procesa, vie rada se uloi, nego to radni fluid rada izvri

nad okolinom. To znai da ukupan rad levokretnog krunog procesa, razlika uloenog (+) i apsolutne vredosti izvrenog rada (), (bilo zapreminskog, bilo tehnkog) ima pozitivnu vrednost.

142

14.3 Parna kompresiona rashladna postrojenja 14.3.1 Karnoov (Carnot) levokretni kruni proces Kao i kod desnokretnih, Karnoov levokreti kruni proces je termodinamiki najbolji

levoktrtni kruni proces povratni kruni proces

Levokretni Karnoov kruni proces, kao i desnokretni, sastoji se od 4 povratne promene stanja:

1-2 izentropske kompresije idems = 2-3 izotermskog hlaenja idemT = 2 3 p idemT T T= = = 3-4 izentropske ekspanzije idems = 4-1 izotermskog zagrevanja idemT = 4 1 i idemT T T= = =

I Karnoov levokretni kruni proses je povratni kruni proces

is ti tp rs 0S S S S = + + =

s

C T

p = ide

m

1

23 tpT

tiT

TdTd

p = idem

4

Detaljna ema postrojenja ema postrojenja

Kom p re so r

T = id emtp

T = id emti

H la en i p ro sto r

K ondenzator

T urb i na

turP

Ispa ri va

kd p red=

k o mP

is p rim= 1

23

4

Kp

Kd

Is

2

1

3

4

143

RASHLADNA SNAGA toplotni protok sa toplotnog izvora na rashladni fluid (primljeni toplotni protok)

hl prim Is 1 4 Ti 1 4( ) ( )m mq h h q T s s = = = = ( idemp = ) ili RASHLADNI UINAK koliina toplote koju rashladni fluid u isparivau primi od toplotnog izvora

hl prim Is 4-1 1 4 Ti 1 4( ) ( )Q Q Q Q m h h mT s s= = = = = ( idemp = )

C T

p = ide

m

1

23 tpT

tiT

TdTd

p = idem

4

smq

kpP

p rim

Predati toplotni protok toplotni protok sa rashladnog fluida na toplotni ponor

pred Kd 2 3 Tp 2 3( ) ( )m mq h h q T s s = = = ( idemp = ) ili koliina toplote koju rashladni fluid u kondenzatoru preda toplotnom ponoru

pred Kd 2 3 Tp 2 3( ) ( )Q Q m h h mT s s= = = ( idemp = )

pred

C T

p = ide

m

1

23 tpT

tiT

TdTd

p = idem

4

smq Mehanika snaga uloena za pogon kompresora

kom 2 1( )mP q h h= ( idems = ) ili rad uloen za pogon kompresora

kom 2 1( )W m h h= ( idems = ) Mehanika snaga koju pri izentropskom i ravnotenom irenju u turbini para preda vratilu

tur 3 4( )mP q h h= ( idems = )

144

ili rad koju pri izentropskom i ravnotenom irenju u turbini para preda vratilu (dobijeni rad)

tur 3 4( )W m h h= ( idems = ) Mehanika snaga potrebna za ostvarivanje levokretnog krunog procesa

[ ]kp kom tur 2 1 3 4( ) ( )mP P P q h h h h= = [ ]kp pred prim Kd Is 2 3 1 2 2 3 Ti Tp( ) ( ) ( )( )m mP q h h h h q s s T T = = = =

C T

p = ide

m

1

23 tpT

tiTTd

T dp =

idem

4

smq

k pP

Koeficijent hlaenja

prim primh, h,

kp pred primCarnot C P

= = = =

i 1 4 ih,c

p 2 3 p 1 4 p i

( )( ) ( )

T S S TT S S T S S T T

= =

Zbog injenice da je proces isparavanja, odnosno kondenzacije realnog fluida izobarsko-izotermski proces, izotermski procesi 2-3 i 4-1 se relativno lako ostvaruju

Tehniki problemi se javljaju pri ostvarivanju procesa izentropskog sabijanja vlane pare 1-2, odnosno, njenog izentropskog sabijanja irenja 3-4.

Rad koji radni fluid izvri u turbini izvrW je veoma mali, dvofazne meavine tehiki nepodobni radi fludi, a turbina (ili ekspazioni cilindar je veoma skup ureaj), proces 2-3

turbina se zamenjuje sa (mnogo jeftinijim) prigunim ventilom Kompresor usisava vlanu paru isti problemi i kod Rankin-Klauzijusovog

procesa proces 1-2 , stanje 1, pomera se u desno do stanja suve ili ak predrejane pare. To se obezbeuje ili automatskim upravljanjem (regulacijom) procesa ili ugradnjom dopunskog ureaj odvajaa tenosti (pare).

145

14.3.2 Parno kompresiono rashladno postrojnje sa prigunim ventilom i sa usavanjem (suvo)zasiene pare u kompresor idelan ciklus

Prikaz procesa u T s koordinatnom sistemu ema postrojenja (Termodinamika)

s

C T

p = idem

p = idem

1

2

s=

idem3

4=3h 4h

tpT

tiT

PV

T = idemtp

T = idemti

Hlaen i p ro sto r

kd pred=

komP

is prim=Kp

Kd

Is

Prikaz procesa u h s koordinatnom sistemu

s

h

C 1

2

34

p = idem

p = ide

m s=

idem

=3h 4h

komp

wpr

imq

pred

q

ema postrojenja (Primenjena termodinamika, Rashladna postrojenjenja, ...) - parno kompresiono rashladno postrojenje sa prigunim ventilom i sa odvajaem tenosti

PV

Odvaja tenosti

Is

Kd

Kp

T = idemti

Hlaeni prostor

T = idemtp

pred

prim

3 2

1

4CV

4,,

4,

1

23

4PVIs

Kd

Kp

OT

146

Rashladna snaga

hl prim Is 1 4( )mq h h = = = ili rashladni uinak

hl prim Is 4-1 1 4( )Q Q Q Q m h h= = = =

Predati toplotni protok toplotni protok sa rashladnog fluida na toplotni ponor

pred Kd 2 3( )mq h h = = ili koliina toplote koju rashladni fluid u kondenzatoru preda toplotnom ponoru

pred Kd 2 3( )Q Q m h h= =

Mehanika snaga uloena za pogon kompresora

kom pred prim Kd Is 2 1( )mP q h h = = = ili rad uloen za pogon kompresora

kom teh,1-2 pred prim Kd Is 2 1( )W W Q Q Q Q m h h= = = =

Koeficijent hlaenja

prim is 1 4 1 4h

kp kom 2 1 2 1

( )( )

m

m

q h h h hP P q h h h h = = = =

s

C T

p = idem

p = idem

1

2

s=

idem3

4=3h 4h

tpT

tiT

prim

mq

s

C T

p = idem

p = idem

1

2

s=

idem3

4

=3h 4htpT

tiT

pred

mq

s

C T

p = idem

p = idem

1

2

s=

idem3

4

=3h 4htpT

tiT

komP

mq

147

Termodinamika analiza

Zamenom turbine sa prigunim ventilom, istovremeno se smanjuje rashladna snaga postrojenja za

prim Is Ti 4 3( )mq T s s = =

i za isti iznos poveava potrebna mehanika snaga potrebna za pogon kompresora

kom Ti 4 3( )mP q T s s = , pa se koeficijent hlaenja tako smanjuje po dva osnova

Primer postrojenja tzv. kuni friider

C T

p = idem

p = idem

1

2

s=

idem3

4

=3h 4h

tpT

tiT

primsmq

C T

p = idem

p = idem

1

2

s=

idem3

4

=3h 4h

tpT

tiT

kpP = komP

smq

148

14.3.3 Odstupanja realnog od idealnog ciklusa kompresiono rashladnih postrojnja Iako su i pri procesma predaje toplote (kondezator, ispariava), neizostavnu prisutni disipativni efekti, pa ovi procesi realno nisu izobarski, ova odstupanja su beznaajna, pa se obino ne uzimaju u obzir. Najvee odstupanje realnog od idealnog procesa deava se u procesu adijatermskog sabijanja pare u kompresoru. Pri tom, odvijanje procesa u mehanika neravnotea tokom procesa predstavlja glavni uzronik njegove nepovratnsoti procesa i poveanja entropije.

To dalje ima za posledicu poveanu potrebnu mehanike snage za pogon kompresora komP .

Stepen odstupanja realnih od idealnih procesa u kompresoru opisuje se preko stepena dobrote adijatermne kompresije (unutranjeg stepana korisnosti kompresora).

idealno idealnokom kom kom tur 2id 1d i realno realno

2 1kom tur

W P h hh hW P

= = = =

s

C T

p = i dem

p = i dem

1

23

4

=3h 4ht pT

t iT

mq

i d 2

s

C T

p = idem

p = idem

1

23

4

=3h 4htpT

tiT

mq

id 2

komP

149

14.3.4 Parno kompresiono rashladno postrojnje sa pothlaivanjem kondenzata, prigunim ventilom i usavanjem pregrejane pare u kompresor

Prikaz procesa u T s koordinatnom sistemu ema postrojenja

s

C T

p = idem

p = idem1

2

6s

= id

em

34

5=4h 5h

tpT

tiT

Kp

Is

Ph Kd

T = idemtp

T = idemti

Pr

Hlaeni prostor

PV

1

234

5 6

Prikaz procesa u h s koordinatnom sistemu

s

h

C 1

2

345

6

p = idem

p = ide

m

s=

idem

=4h 5h

kom

pw

prim

q

pred

q

Koliina toplote koju rashladni fluid primi (primljeni toplotni protok) RASHLADNI

UINAK

prim is pr 4-6 6-1 1 6( )Q Q Q Q Q m h h= + = + = prim 1 6( )mq h h = ( idemp = ) Koliina toplote koju rashladni fluid preda (predati toplotni protok)

pred kd ph 2-3 3-4 4 2( )Q Q Q Q Q m h h= + = + = pred 4 2( )mq h h = ( idemp = ) Rad uloen za pogon kompresora (mehanika snaga uloena za pogon kompresora)

komp teh,1-2 2 1( )W W m h h= = komp 2 1( )mP q h h= ( idems = ) Koeficijent hlaenja

prim 1 5h

komp 2 1

h hP h h = =

150

14.3.5 Grejne (toplotne) pumpe Parno kompresiono rashladno postrojenje sa ili bez pothlaivanja kondenzata, prigunim

ventilom i usavanjem suve ili pregrejane pare u kompresor Svrha postrojenja zagrevanje nekog medijuma najee vaduha, vode (bazeni), ...

Prikaz procesa u T s koordinatnom sistemu ema postrojenja

s

C T

p = idem

p = idem

1

2s

= id

em3

4=3h 4h

tpT

tiT

Kp

Is

Kd

T = idemtp

Grejani prostor

PV1

23

4

T = idemti

Prikaz procesa u h s koordinatnom sistemu

s

h

C 1

2

34

p = idem

p = ide

m s=

idem

=3h 4h

kom

pw

prim

q

pred

q

Koliina toplote koju rashladni fluid preda (predati toplotni protok) GREJNI (TOPLOTNI) UINAK

pred 2-3 3 2( )Q Q m h h= = pred 3 2( )mq h h = ( idemp = ) Koliina toplote koju rashladni fluid primi (primljeni toplotni protok)

prim 4-1 1 4( )Q Q m h h= = prim 1 4( )mq h h = ( idemp = )

151

Rad uloen za pogon kompresora (mehanika snaga uloena za pogon kompresora)

komp teh,1-2 2 1( )W W m h h= = komp 2 1( )mP q h h= ( idems = ) Koeficijent grejanja

pred 2 3g

komp 2 1

h hP h h = =

14.3.6 Princip rada kunih klima ureaja

Ttp >Tti

TtiKp

Is

Kd

PV

TtiTtp >Tti

Kp

IsPV

Kd

Grejanje vazduha u prostorijama (zimski period) toplotna pumpa

Hlaenje vazduha u prostorijama (letnji period) rashladni ureaj

s

C T

p = idem

p = idem

1

2

s=

idem3

4=3h 4h

tpT

tiT

s

C T

p = idem

p = idem

1

2s

= id

em3

4=3h 4h

tpT

tiT

152

14.4 Gasna kompresiona rashladna postrojenja

Gasna koriste gas (vazduh idelan gas) kao radni (rashladni) fluid

14.4.1 Postrojenja koja rade po levoktrtnom Dulovom levokretnom krunom procesu Prikaz procesa u T s koordinatnom sistemu ema postrojenja

Koeficijent hlaenja

prim prim m 1 4h

kp m 2 3 m 1 4pred prim

( )( ) ( )

p

p p

q c T TP q c T T q c T T

= = =

h2 3 21 4 33

4

1 1

1 1T T TT T TT

T

= = 1

41T

T

3

4

1

1

1

TT

=

Uvoenjem odnosa pritisaka max 3

min 4

p pp p

= = i uz pomo odnosa koji va za politropske promene stanja

1 13 43 4p T p T

=

13 4

4 3( )p T

p T

=

h 1 1

1

=

153

Prikaz levokretnog Dulovog krunog procesa u p v koordinatnom sistemu