Содержание отчета

1. По результатам проведенной работы составляется отчет в письменной форме. Отчет должен содержать: цель работы; расчет теплопритоков в грузовое помещение вагона для заданных условий (типа изотермического подвижного состава, рода груза, маршрута перевозки и др.); выводы о влиянии i-теплопритока на общую величину теплопоступлений.

2. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Какова цель расчета теплопритоков в грузовое помещение вагона?

2. Перечислите от каких составляющих зависит общая величина теплопоступлений.

3. Что понимают под коэффициентом рабочего времени холодильных машин?

4. Перечислите для каких грузов рассчитывают теплоприток от свежего воздуха.

5. Поясните, что такое теплоприток от инфильтрации воздуха.

6. Что необходимо предпринять, для нейтрализации отрицательных теплопритоков?

Практическое занятие № 6

Расчет параметров холодильной машины

Цель работы: освоить тепловой расчет параметров теоретического холодильного цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины.

Теоретическая часть

Передача тепла от тел с низкой температурой к телам с более высокой температурой осуществляется в холодильных машинах с затратой механической работы или тепла.

Совокупность процессов, которые при этом осуществляет хладагент, называют холодильным циклом. Расчет теоретического рабочего цикла холодильной машины заключается в определении отводимого и подводимого тепла при условии постоянного давления, а также тепла, получаемого в результате сжатия паров хладагента в компрессоре [4].

Холодильный цикл является теоретическим, т. к. не учитывает перегрев пара в испарителе, падения давления в конденсаторе и испарителе вследствие трения хладагента о стенки труб, потери в компрессоре.

Для расчета цикла холодильной машины и определения параметров хладагента в любой точке рассматриваемого холодильного процесса используется энтальпийная диаграмма хладагента. Энтальпийная диаграмма позволяет непосредственно определить количество тепла и работы, участвующих в процессе.

При расчетах холодильных машин используют два варианта энтальпийных диаграмм:

• диаграмма P-i, называемая также диаграммой Молье, в которой энтальпию откладывают по оси абсцисс, а давление – по оси ординат, используя обычную равномерную шкалу;

• диаграмма lg P-i, у которой ось абсцисс также соответствует энтальпии, а на оси ординат откладывается давление в логарифмическом масштабе.

Эти две диаграммы дают одни и те же характеристики, но различаются шкалой по оси ординат. В лабораторной работе для построения и расчета цикла холодильной машины и определения параметров хладагента будет рассмотрена диаграмма P-i.

Чтение энтальпийной диаграммы P-i

Обратимся к примеру диаграммы P-i для хладона-12 в приложении 4.

На оси абсцисс, где применяется равномерная шкала, дается удельная энтальпия хладагента в кДж/кг. В приведенной диаграмме начало координат обозначено 320 кДж/кг, а удельная энтальпия при температуре 0 ⁰С составляет 400 кДж/кг. В некоторых диаграммах выбраны другие значения энтальпии в этих точках. Однако это не отражается на результатах расчетов, так как важна разность энтальпии двух состояний вещества, а не абсолютное ее значение.

Ось ординат представляет собой шкалу, на которую нанесены значения давления в МПа. В центре диаграммы находится кривая в виде деформированной подковы, вершина которой соответствует точке, называемой критической и обозначенной К. Эта линия разделяет плоскость диаграммы на три области.

В области І хладагент находится в жидком состоянии, в области ІІ – в парожидкостном (двухфазное состояние), в области III – в состоянии перегретого пара.

В области ІІ имеются 9 кривых, выходящих из критической точки К и отмеченных слева направо значениями от х = 0,1 до х = 0,9. Эти кривые (кривые сухости) показывают процентное содержание пара в смеси. Так точка на кривой х = 0,1 означает, что в данном состоянии хладагент содержит 10 % пара и 90 % жидкости. Кривые х = 0 и х = 1 являются пограничными линиями. Линия х = 0 – это линия жидкого хладагента, а линия х = 1 – это линия пара, а их общая точка является критической точкой.

Обратим внимание на характер кривой постоянных значений температуры. В области І изотерма вертикальна, в области ІІ – горизонтальна, а в области ІІІ – сначала криволинейна, а затем стремится стать вертикальной.

На диаграмме изображены также и другие кривые, а именно: линии постоянной энтальпии (кДж/кг), которые идут в вертикальном направлении, линии постоянной энтропии (кДж/кг К), линии постоянного удельного объема или изохоры (м³/кг).

Графическое истолкование работы холодильного цикла

Рассмотрим теоретический цикл одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины, с иллюстрацией основных процессов на немасштабной диаграмме P-i (рис. 5).

Компрессор всасывает из испарителя сухой насыщенный пар с низким давлением P₀ и температурой t₀ – на диаграмме это состояние хладагента соответствует точке 1 теоретического цикла, находящийся на правой пограничной кривой паросодержания.

Далее компрессор производит адиабатическое сжатие пара (процесс 1–2) до давления в конденсаторе P_к. Горячие пары хладагента по трубопроводу нагнетаются компрессором в конденсатор, где они при постоянном давлении P_к сначала охлаждаются от температуры перегрева сжатия до температуры конденсации t_к (процесс 2–а), а затем конденсируются (а–3) при постоянном давлении P_к и температуре t_к в процессе отвода тепла от хладагента к окружающей среде [4, 6].

Затем жидкий хладагент с высоким давлением P_к и умеренной температурой t_к поступает в регулирующий вентиль, проходит его и при этом дросселируется (изоэнтальпический процесс 3–4) с понижением давления от P_к до P₀ и температуры от t_к до t₀ (точка 4 характеризует парожидкостное состояние хладагента после дросселя).

Если в холодильной машине имеется переохладитель, то хладагент сначала переохлаждается при постоянном давлении P_к и температуре t_к (процесс –3), а уже затем дросселируется (процесс – ).

Получаемая парожидкостная смесь направляется в испаритель, где жидкий хладагент кипит при постоянном низком давлении P₀ и температуре t₀ (процесс 4–1), отнимая тепло от охлаждаемого объекта. Образующиеся пары хладагента отсасываются компрессором, и цикл повторяется снова.

Рассмотренный холодильный цикл является теоретическим т.к. не учитывает перегрев пара в испарителе, падения давления в конденсаторе и испарителе вследствие трения хладагента о стенки труб, потери в компрессоре. Действительный цикл учитывает эти факторы, графически это отображается смещением точки 1 в область перегретого пара [4].

Построение холодильного цикла

Заданными величинами для построения и расчёта цикла паровой компрессионной холодильной машины являются:

• холодопроизводительность машины Q_o, Вт;

• температура наружного воздуха t_н, ⁰С;

• вид холодильного агента;

• температурный режим хранения или перевозки продукта t_в, ⁰С;

• температура кипения холодильного агента в испарителе t_о, ⁰С;

• температура всасывания паров хладагента t_вс, ⁰С;

• температура конденсации хладагента в конденсаторе t_к, ⁰С;

• температура переохлаждения хладагента в конденсаторе t_п, ⁰С.

Холодопроизводительность – количество выработанного установкой холода в течение данного времени.

В совокупности t_о, t_к, t_п и t_вс представляют собой температурный режим работы холодильной машины, который устанавливают для любого случая в зависимости от назначения холодильной машины и температуры внешней среды.

Эта зависимость для холодильных машин рефрижераторных вагонов следующая:

t_о принимают на 10–12⁰ ниже температурного режима хранения продукта t_в;

t_к принимают на 5–12⁰ выше температуры наружного воздуха t_н;

t_п принимают на 3–5⁰ ниже температуры конденсации хладагента t_к;

t_вс принимают на 10–15⁰ выше температура кипения холодильного агента t_о.

По полученным значениям температур производится построение цикла (см. рис. 5) работы холодильной машины в следующей последовательности:

• по диаграмме P-i приложения 5 находим давление кипения P₀, соответствующее температуре t_о, значение которой указано на правой пограничной кривой. Это точка 1 теоретического цикла, ей соответствует энтальпия i₁ (значения энтальпии указаны на оси абсцисс) и удельный объем всасывания в компрессор V₁ (изохоры на диаграмме показаны штриховыми линиями);

• аналогично определяем линию постоянного давления P_к, в соответствии с температурой конденсацией t_к. Изобару P_к покажем в виде прямой линии параллельной оси абсцисс от левой пограничной кривой и далее;

• затем из точки 1 проводим адиабату (постоянная энтропия) до пересечения с изобарой P_к. Это будет точка 2 и ее энтальпия i₂;

• точка 3 находится на пересечении изобары P_к с левой пограничной кривой х = 0, ей соответствует энтальпия i₃;

• в области переохлажденной жидкости (слева от кривой х = 0) на пересечении изобары P_к с изотермой t_п (температура переохлаждения жидкого хладагента) находим точку и энтальпию i

• для нахождения точек 4 и необходимо провести из точек 3 и прямые линии по изоэнтальпиям до пересечения с изобарой P₀. Точки соответствует энтальпия i .

• прямая 4–1 (или –1) характеризует процесс кипения хладагента в испарители.

Алгоритм построения действительного цикла аналогичен теоретическому циклу и отличается лишь смещением точки 1 в область перегретого пара.

Расчёт основных параметров холодильной машины

После определения численных значений энтальпии, удельного объема, давления в характерных точках цикла, производится расчет основных параметров холодильной машины [6, 7].

Холодопроизводительность 1 кг холодильного агента определяют по разности энтальпий в конечных точках изотермы (или адиабаты):

, (6.1)

где удельная холодопроизводительность хладагента, Вт;

удельная энтальпия в точке 1 и 4 соответственно, кДж/кг.

Если машина работает без переохлаждения, то , т. е. меньше на величину 4– по сравнению с машиной, работающей с переохлаждением.

Тепловой эквивалент работы сжатия в компрессоре определяют по разности энтальпий в конечных точках адиабаты сжатия:

, (6.2)

где тепловой эквивалент работы сжатия в компрессоре, кДж/кг;

удельная энтальпия в точке 1 и 2 соответственно, кДж/кг.

Количество теплоты, отданное 1 кг агента в конденсаторе при охлаждении, конденсации и переохлаждении его:

, (6.3)

где количество теплоты, отданное 1 кг хладагента, кДж/кг;

удельная энтальпия в точке 3, кДж/кг.

Тепловой баланс – согласно закону сохранения энергии количество теплоты, подведенной к холодильному агенту, в цикличном процессе должно равняться количеству теплоты, отведенной от агента, т. е:

. (6.4)

Холодильный коэффициент цикла:

. (6.5)

Чем больше холодильный коэффициент, тем меньше работа, затрачиваемая на получение единицы холода, т. е. экономичнее работа холодильной машины.

Масса хладагента, циркулирующего в машине, или количество агента, всасываемое компрессором за час:

. (6.6)

где G – масса циркулирующего хладагента, кг;

– часовая холодопроизводительность, Вт.

Часовой объем компрессора или объем паров холодильного агента, всасываемых компрессором в течение одного часа:

. (6.7)

где объем паров агента, всасываемых компрессором, м³/ч;

– удельный объем хладагента, значение которого находят из энтальпийной диаграммы, м³/ч.

По рассчитанному теоретическому объему определяют главные размеры холодильного компрессора.

Общее количество отведенной от холодильного агента теплоты или общая тепловая нагрузка конденсатора

. (6.8)

По количеству теплоты Q определяют поверхность теплопередачи конденсатора.

Теоретическая мощность двигателя, приводящего в действие компрессор

. (6.9)

где теоретическая мощность двигателя компрессора, Вт.

Порядок выполнения работы

1. Изучить принцип построения и расчета теоретического холодильного цикла.

2. В соответствии с заданием на диаграмме в координатах Р-i для хладона-12 построить теоретический цикл работы паровой компрессионной машины.

3. Выполнить общий расчет холодильного цикла.

4. Оформить отчёт о проделанной работе.