Лабораторная работа № 5 "Исследование теоретического цикла холодильной машины с регулирующим вентилем и регенеративным теплообменником"

1. Цель и задачи лабораторной работы

1.1. Ознакомиться с основными рабочими процессами и принципиальной схемой холодильного агрегата компрессионной холодильной машины с регулирующим вентилем и регенеративным теплообменником.

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 температуры 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 c 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 с регулирующим вентилем и регенеративным теплообменником

Рис.1. Цикл холодильного агрегата с регулирующим вентилем и регенеративным теплообменником в Р  i диаграмме:

1-2  адиабатический процесс сжатия хладагента в компрессоре при постоянной энтропии;

2-3 – процесс охлаждения паров холодильного агента в нагнетательном трубопроводе и части конденсатора;

3-4  изотермический, изобарический процесс конденсации холодильного агента в конденсаторе;

4-5  процесс переохлаждения жидкого хладагента в регенеративном теплообменнике;

5-6  адиабатический процесс дросселирования хладагента в регулирующем вентиле при постоянной энтальпии;

6-7  изотермический и изобарический процесс кипения хладагента в испарителе;

7-1  процесс перегрева паров холодильного агента в регенеративном теплообменнике.

Расчет цикла холодильного агрегата начинается с определения основных термодинамических параметров узловых точек. Термодинамические параметры точек цикла определяются из таблиц термодинамических свойств насыщенных и перегретых паров холодильного агента. Таблицы термодинамических свойств хладагента R12 приведены в приложении. По таблице 1 приложения определяются параметры состояния хладагента на линиях насыщения, т.е. свойства насыщенной жидкости и насыщенного пара. Параметры, обозначение о одним штрихом, соответствуют жидкой фазе хладагента, а параметры о двумя штрихами  парообразной фазе хладагента. По таблице 2 определяются термодинамические свойства перегретых паров холодильного агента.

Расчет цикла холодильного агрегата удобно начинать с точки 7, соответствующей окончанию процесса кипения хладагента в испарителе. Параметры, характеризующие состояние хладагента в точке 7 определяются из таблицы 1 приложения по заданной температуре кипения t_о для паровой фазы холодильного агента.

Точка 1 теоретического цикла соответствует началу процесса изоэнтропического сжатия. Все термодинамические показатели определяются из таблиц термодинамических свойств перегретых паров хладагента (таблица 2 приложения) для заданной температуры t_пр и давления кипения Р_о.

В таблице 2 приложения 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 значения температуры перегрева t_пер = 23С при давлении кипения Р_о = 1,00210⁵ Па.

Рис. 2. 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.2): , (1) где . (2) В рассматриваемом примере в таблице 2 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 (1) и (2) определяются значения энтальпии и энтропии.

В случае, если значение давления Р_о в таблице 2 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 (1).

Рис 2. Схема холодильного агрегата компрессионной холодильной машины с регулирующим вентилем и регенеративным теплообменником: КМ  герметичный хладоновый компрессор; КД  конденсатор; РТ  регенеративный теплообменник; РВ  регулирующий вентиль; И  испаритель.

В точке 2 заканчивается процесс изоэнтропичеокого сжатия в цилиндре компрессора, поэтому энтропия S₂ равна энтропии S₁ в точке 1: S₂=S₁. Давление в точке 2 равно давлению конденсации Р_к, которое находится из таблицы 1 приложения по. заданной температуре конденсации Т_к. Температура в точке 2 определяется расчетным путем по известному" значению энтропии S₂. Для расчёта t₂ из таблицы 2 приложении находим ближайшие к значению S₂ величины S₂₁ и S₂₂ (S₂₁<S₂, S₂₂>S₂). Значениям S₂₁ и S₂₂ в таблице соответствуют температуры t₂₁ и t₂₂. По значениям энтропии S₂₁ и. S₂₂можно рассчитать поправочный коэффициент К₂ и температуру t₂:

К₂ = (S₂S₁)/(S₂₂S₂₁); (1)

t₂ = t₂₁+ K₂(t₂₂t₂₁) (2)

Значения энтальпии и удельного объема в точке 2 рассчитываются аналогично:

v₂ =v₂₁+К₂(v₂₂  v₂₁); (3)

i₂ = i₂₁+К₂(i₂₂  i₂₁); (4)

Термодинамические параметры в точках 3 и 4 определяются из таблицы термодинамических свойств хладагента на линии насыщения (таблица 1 приложения) по температуре t_к о учетом того, что в точке 3 хладагент находится в парообразном состоянии, а в точке 4  в жидком.

Параметры точки 5 определяются из уравнения теплового баланса регенеративного теплообменника:

i₁  i₇ = i₄  i₅; (5)

i₅ = i₄  (i₁  i₇); (6)

По рассчитанному значению энтальпии i₅ по таблице 1 приложения определяются остальные параметры состояния жидкого хладагента в точке 5.

В точке 6 заканчивается процесс дросселирования, поэтому хладагент представляет собой парожидкостную смесь. В точке 6 известны температура t_o, давление Р_о и энтальпия i₆:

i₆ = i₅ (7)

Для расчета удельного объема V₆ и энтропии S₆ необходимо вычислить паросодержание хладагента Х₆:

(8)

где i₆', i₆"  энтальпия жидкого и парообразного холодильного агента на линиях насыщения при температуре t_о ( таблица 1 приложения).

Удельный объем и энтропия хладагента в точке 6 рассчитываются из соотношений:

v₆ = v₆' + X₆(v₆''v₆'); (9)

S₆ = S₆' + X₆(S₆''S₆'); (10)

где V₆', V₆''  удельный объем жидкого и парообразного хладагента при температуре t_о;

S₆', S₆''  энтропия жидкого и парообразного хладагента при температуре t_о (таблица 1 приложения).

После окончания расчета цикла все данные представляются в табличной форме. На основе полученных термодинамических параметров по уравнениям (11)  (17) рассчитываются основные показатели эффективности цикла холодильного агрегата.

1) Удельная холодопроизводительность:

q_о=i₇i₆ (11)

2) Удельная теплота отводимая от конденсатора:

q_к=i₃i₄ (12)

3) Удельная работа цикла:

l_s=i₂i₁ (13)

4) Холодильный коэффициент:

=q_о/l_s (14)

5) Массовый расход хладагента:

G_а=Q_о/q_о (15)

6) Теоретическая мощность компрессора:

N_s= G_аl_s (16)

7) Объемная производительность компрессора:

V_д=G_аv₁ (17)