Лабораторная работа № 6 "Исследование теоретических циклов холодильных агрегатов бытовых компрессионных холодильников"

1. Цель и задачи лабораторной работы

1.1. Ознакомиться с основными рабочими процессами и принципиальной схемой холодильного агрегата бытовой компрессионной холодильной машины.

1.2. Изучить методы определения основных термодинамических параметров состояния холодильного агента и показателей термодинамической эффективности цикла холодильного агрегата.

1.3. Освоить методику и приобрести исследовательские навыки по измерению температур с помощью измерителя – регулятора универсального ТРМ 138.

1.4. Произвести расчет всех термодинамических параметров состояния рабочего вещества в узловых точках цикла и основных показателей цикла в соответствии с вариантом задания.

2.Оборудование и измерительные приборы

Контрольно-измерительный комплекс предназначен для определения следующих параметров качества компрессионных холодильников:

• измерения температуры в основных термодинамических точках холодильного агрегата;

• потребляемой компрессором мощности и силы тока;

• давления на стороне всасывания и нагнетания.

2.1. В качестве датчиков температуры применены хромель-копелевые термопары, показания которых автоматически регистрируются универсальным восьмиканальным измерителем – ТРМ 138. Интервал измеряемых температур: от -50 С до 300 С. Запись температур – дискретная, через 5 или 20 секунд.

2.2. Измерительный комплекс К-505, позволяет измерять подаваемое напряжение, потребляемую компрессором мощность и силу тока. В электрической схеме стенда установлен ЛАТР, позволяющий корректировать величину подаваемого напряжения.

3. Методика расчета цикла холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника

Цикл паровой компрессионной холодильной машины представляет собой замкнутую последовательность процессов, происходящих в отдельных элементах холодильного агрегата.

Конструктивное исполнение холодильных агрегатов бытовых холодильников может быть различным, однако они всегда включают в себя следующие основные элементы: компрессор, конденсатор, фильтр – осушитель, капиллярную трубку, испаритель, всасывающий трубопровод (рис.1). Часть капиллярной трубки и всасывающего трубопровода, находящиеся в тепловом контакте, образуют регенеративный теплообменник.

Цикл холодильного агрегата бытового холодильника обычно строится в диаграммах температура – энтропия (Т – S) и давление – энтальпия (P – i)

Все поле диаграмм Т - S и P - i двумя пограничными кривыми - линией насыщенной жидкости (слева) и линией насыщенного пара (справа) разделяется на три зоны. Слева от левой пограничной кривой находится область переохлажденной жидкости. Между левой и правой пограничными кривыми - область влажного пара. Справа от правой пограничной кривой находится зона перегретого пара.

Цикл холодильного агрегата бытового холодильника (рис.2) осуществляется одновременно в трех областях: переохлажденной жидкости, влажного пара и перегретого пара.

Любая точка на диаграммах характеризуется пятью основными термодинамическими параметрами: давлением - Р (10⁵Па), температурой - t (С), энтропией - S (кДж/кгК), энтальпией - i (кДж/кг), удельным объемом - v (м³/кг). Зная значения любых двух параметров, можно найти три остальных.

На диаграммах (рис.1) изображены основные процессы, протекающие в холодильном агрегате.

Линия 2-5 – процесс кипения хладагента в испарителе; процесс изобарический, изотермический. Паросодержание хладагента в области влажного пара изменяется до х = 1 (правая пограничная кривая). Точка 2 характеризует начало, а точка 5 – окончание процесса кипения, т.е. в точке 5 - 100% пара.

Линия 5–6 –процесс перегрева всасываемых паров во всасывающей трубке на пути из испарителя в компрессор. В процессе повышается температура, давление остается постоянным. Перегрев паров происходит за счет регенеративного теплообмена с жидким хладагентом в капиллярной трубке (линия3-4).

Рис. 1. Цикл холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника

Линия 6-7 - процесс адиабатического изоэнтропного сжатия в цилиндре компрессора. Изменяются все параметры, за исключением энтропии (S = соnst). Адиабатический процесс – это процесс, проходящий без теплообмена с окружающей средой.

Линия 7-8 - процесс охлаждения паров хладагента, который протекает на пути от нагнетательного клапана компрессора до того участка конденсатора, где начинается процесс конденсации. В этом процессе постоянным остается давление.

Линия 8-9 - процесс конденсации, который происходит в конденсаторе при постоянных значениях давления и температуры. В процессе снижается паросодержание от х = 1 до х = 0. Точка 9 характеризует окончание процесса, когда полностью закончен фазовый переход хладагента из парообразного состояния в жидкое.

Рис. 2. Принципиальная схема холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника:

1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 – фильтр – осушитель; 4 -капиллярная трубка; 5 - испаритель; 6 - всасывающий трубопровод;

*1 - *9 - реперные точки, отмеченные на Т - S и P - i диаграммах.

Линия 9-1 - процесс переохлаждения жидкости в части конденсатора после завершения процесса конденсации и в фильтре – осушителе (цеолитовом патроне). В данном процессе снижается температура и незначительно снижается давление.

Линия 1-3-4-2 соответствует процессу дросселирования холодильного агента в капиллярной трубке. В связи с тем, что процесс протекает при разных условиях теплообмена, целесообразно разделить его на три стадии.

Линия 1-3 - процесс дросселирования жидкого хладагента в капиллярной трубке при теплообмене с окружающей средой. Данная стадия процесса дросселирования начинается на входе в капиллярную трубку и завершается на входе в регенеративный теплообменник. В процессе дросселирования 1-3 снижаются давление и температура хладагента.

Линия 3-4 - процесс дросселирования хладагента в капиллярной трубке при регенеративном теплообмене с всасываемыми из испарителя парами. На данной стадии процесса дросселирования снижаются давление, температура и начинается частичное парообразование хладагента.

Линия 4-2 – адиабатический изоэнтальпический процесс дросселирования. Данная стадия процесса дросселирования начинается на выходе капиллярной трубки из регенеративного теплообменника и завершается в конце капиллярной трубки, т. е. непосредственно в испарителе. В процессе 4-2 происходит снижение давления и температуры хладагента и продолжается парообразование, при котором часть жидкого хладагента превращается в пар.

Температура жидкого хладагента после регенеративного теплообмена определяется из условия теплового баланса: количество тепла, подведенного к пару (i₆ - i₅), равно количеству тепла, отведенного от жидкости (i₃ - i₄):

i₄ = i₃ - i₆ + i₅. (1)

Теоретический цикл работы холодильного агрегата бытового холодильника может быть построен по следующим исходным данным:

• t_о - температура кипения хладагента в испарителе;

• t_к - температура конденсации хладагента в конденсаторе;

• t_пер - температура перегрева паров, всасываемых в цилиндр компрессора;

• t_о.с.- температура окружающей среды;

• t_по - температура переохлаждения жидкости перед дросселированием.

Построение теоретического цикла по исходным данным и определение с помощью таблиц или диаграмм параметров хладагента в реперных точках позволяет провести приближенный расчет основных элементов холодильного агрегата.

Основные показатели термодинамической эффективности цикла рассчитываются по следующим формулам.

1. Удельная массовая холодопроизводительность, кДж/кг:

q_о = i₅ - i₂. (2)

2. Удельная изоэнтропическая работа компрессора, кДж/кг:

l_s = i₇ - i₆. (3)

3. Удельное количество теплоты, отведенное в конденсаторе, кДж/кг:

q_к = i₈ - i₉. (4)

4. Холодильный коэффициент теоретического цикла:

 = q_о / l_s. (5)

Построение теоретического цикла работы холодильного агрегата рассмотрим на примере по следующим исходным данным: t_о = -30С; t_к = 30С; t_о.с. = 20С; t_пер = 23С.

Температура переохлаждения определяется из соотношения:

t_по = t_к - (2…4) С. (6)

Построение цикла удобно начинать с точки 5 и нанесения линии, изображающей на диаграммах Т - S и Р - i процесс кипения. В области влажного пара этот процесс совпадает с изобарой, соответствующей давлению кипения Р_о = 1,00210⁵ Па (t_о=-30С).

Параметры точки 5 определяются по заданной температуре t_о из таблицы термодинамических свойств насыщенных паров хладагента R12 (приложение 5.2). В таблицах термодинамических свойств параметры жидкости обозначаются одним штрихом (v, i, S), а параметры паровой фазы – двумя штрихами (v, i, S).В точке 5 хладагент находится в паровой фазе, поэтому из таблицы 5.2 выбираем значения v, i, S.

Точка 6, характеризующая состояние пара, поступающего в цилиндр компрессора, находится в области перегретых паров. Параметры точки 6 определяются из таблицы термодинамических свойств перегретых паров хладагента (приложение 5.3) по давлению Р_о и заданной температуре t_пер. В рассматриваемом примере t_пер = 23С, поэтому значения удельного объема, энтальпии и энтропии находятся по таблице 5.3 перегретых паров для Р_о = 1,00210⁵ Па и t_пер = 23С.

В таблице 5.3 все параметры даны с шагом по температуре в 5С, поэтому для промежуточных значений температуры используется метод линейной интерполяции. Метод основан на предположении о линейном характере изменения значений функции в интервале между двумя заданными значениями аргумента. Реализацию этого метода рассмотрим на примере (рис.3).

Рис. 3. Пример использования метода линейной интерполяции

Согласно методу линейной интерполяции при заданных значениях аргумента Z1 и Z2 и условии (Z1Z2) приведены значения функции У1 и У2. Для нахождения значения функции У при промежуточном аргументе Z используется уравнение прямой линии (линия 12 на рис.3): , (7) где . (8) В рассматриваемом примере в таблице 5.3 при давлении Ро = 1,00210^5 Па приведены значения температуры 20 и 25С. Для определения удельного объема, энтальпии и энтропии при промежуточных значениях температуры используются приведенные выше уравнения:

Аналогично по уравнениям (7) и (8) определяются значения энтальпии i₆=570,12 кДж/кг и энтропии S₆=4,6943 кДж/кгК.

В случае, если значение давления Р_о в таблице 5.3 отсутствует, но есть значение температуры t_пер, все необходимые параметры также определяются с помощью метода линейной интерполяции. В качестве аргумента Z используется давление, а значения удельного объема, энтальпии и энтропии рассчитываются из уравнения (7).

Состояние пара в конце процесса сжатия характеризуется точкой 7, находящейся на пересечении адиабаты сжатия (S₆ = S₇ = 4,6943 кДж/кг) с изобарой конденсации, соответствующей заданной температуре конденсации.

Для определения температуры, удельного объема и энтропии в точке 7 предварительно из таблицы 5.2 по температуре конденсации t_к = 30С находится давление конденсации Р_к =7,43610⁵ Па. Температура конца процесса сжатия t₇ на данном этапе расчета неизвестна, и для ее вычисления используется условие постоянства энтропии в адиабатическом процессе сжатия: S₆ = S₇ = 4,6943 кДж/кг. Так как данное численное значение не совпадает с табличным для давления Р_к =7,43610⁵ Па, то вычисление температуры производится на основе метода линейной интерполяции. Для этого выбираются два ближайших табличных значения энтропии, между которыми находится S₇, т. е.

S₇₁ = 4,6858 кДж/кг и S₇₂ = 4,6953 кДж/кг, причем S₇₁ S₇₂.

,

,

,

.

Состояние паров хладагента в начале процесса конденсации характеризуется точкой 8, в конце процесса - точкой 9,расположенных соответственно на правой и левой пограничных кривых. Значения параметров в этих точках находятся по таблице 5.2 насыщенных паров по известному значению температуры конденсации (t_к = 30С). Для точки 8 (насыщенный пар) выбираются значения с двумя штрихами, для точки 9 (насыщенная жидкость) - с одним штрихом.

Термодинамические параметры, характеризующие состояние хладагента в точке 1 (жидкость) определяются по таблице 5.2 насыщенных паров для температуры переохлаждения t_по. Давление Р₁ переохлажденной жидкости не соответствует температуре t₁ и определяется по соотношению:

Р₁ = Р_к - (0,05…0,1) 10⁵ Па,

Для рассматриваемого случая принимаем Р₁ = 7,350 10⁵ Па, температура переохлаждения t_по = 28С.

Термодинамическое состояние хладагента в точке 3 определяется по значению заданной температуры окружающей среды t_ос из таблицы 5.2. Температура, удельный объем, энтальпия и энтропия определяются для жидкой фазы хладагента по температуре t_ос.

Параметры состояния хладагента в точке 4 определяются из условия теплового баланса регенеративного теплообменника:

где и - средняя удельная теплоемкость хладагента.

Значения теплоемкостей С₃ и С₄ определяются по таблице 5.4 теплофизических свойств насыщенной жидкости по значениям t₃ и t₄. Температура хладагента в точке 4 на данном этапе неизвестна, поэтому для определения теплоемкости С₄ задается приближенное значение t₄, выбираемое в зависимости от заданного значения t_о.с.

При t_о.с. = 20С теплоемкость С₄ определяется по температуре t₄= 13С; при t_о.с. = 25С значение С₄ определяется по температуре t₄= 10С; при t_о.с. = 32С значение С₄ определяется по температуре t₄= 0С; при t_о.с. = 43С значение С₄ определяется по температуре t₄= 5С.

Для рассматриваемого случая С₃ = 0.979 кДж/кгК. Температура t₄ принимается равной 13С и по этому значению температуры из таблицы 5.4 определяется С₄:

Значения С₅ и С₆ определяются по таблице 5.5 теплофизических свойств сухого насыщенного пара R12 для значений температур соответственно t₅ и t₆.

С₅ = 0,576 кДж/кгК; С₆=0,708 кДж/кгК.

Значение полной удельной энтальпии i₄ в точке 4 определяется по соотношению, вытекающему из уравнения теплового баланса регенеративного теплообменника (1):

Значение массового расходного паросодержания хладагента Х₄ в точке 4 определяется из соотношения:

,

где

i4, i4

-

энтальпия соответственно жидкости и пара, определяемая по температуре t4 из таблицы 5.2.

Значения V₄ и S₄ парожидкостной смеси хладагента определяются из выражений:

v₄ = v₄ + x₄(v₄ - v₄) = 0,0006919+0,019( 0,09518-0,0006919) = 0,00249 м³/кг;

S₄ = S₄ + x₄(S₄ - S₄) = 3,9437 + 0,019(4,5680 – 3,9437) = 3,9556 кДж/кгК.

где	v4, v4	-	удельный объем соответственно жидкости и пара, определяемый по температуре t4 из таблицы 5.2;
	S4, S4	-	энтропия соответственно жидкости и пара, определяемая по температуре t4 из таблицы 5.2.

Термодинамические параметры, характеризующие состояние хладагента в точке 2, определяются следующим образом. Массовое расходное паросодержание хладагента Х₂ рассчитывается из условия равенства энтальпии в точках 4 и 2 (i₂ = i₄) при изоэнтальпическом процессе дросселирования:

где

i2, i2

-

энтальпия соответственно жидкости и пара, определяемая по температуре кипения tо из таблицы 5.2.

Значения удельного объема V₂ и энтропии S₂ рассчитываются аналогично соответствующим параметрам точки 4:

v₂ = v₂ + x₂(v₂ - v₂); S₂ = S₂ + x₂(S₂ - S₂).

Все параметры основных термодинамических точек цикла заносятся в таблицу.

Таблица 1

№ точки	Р, 10^5 Па	t, С	V, м^3/кг	i, кДж/кг	S, кДж/кгК
5	1,002	-30	0,1608	538,88	4,5783
6	1,002	23	0,1993	570,16	4,6943
7	7,436	99,5	0,0320	614,14	4,6943
8	7,436	30	0,0238	565,46	4,5497
9	7,436	30	0,0007739	429,25	4,1004
1	7,350	28	0,0007695	427.25	4,0939
3	5,665	20	0,0007528	419,31	4,0675
4	1,757	-16	0,0024875	388,03	3,9556
2	1,002	-30	0,0159	388,03	3,9580