23

Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский

Томский политехнический университет

Энергетический институт

Кафедра теоретической и промышленной теплотехники

Лабораторный практикум по холодильному оборудованию

Томск – 2010

Содержание

Теоретические основы функционирования холодильной машины 3

Лабораторная работа № 1 «Исследование температурных ре­жи­мов и теплопереноса в теплообменных аппаратах холодильной машины» 13

Лабораторная работа № 2 «Исследование давлений в теплообменных аппаратах холодильной машины» 14

Лабораторная работа № 3 «Анализ изменения удельного расхода электроэнергии и коэффициента рабочего времени холодильной машины» 15

Лабораторная работа № 4 «Расчет холодопроизводительности испарителя холодильной машины» 19

Лабораторная работа № 5 «Расчет холодопроизводительности конденсатора холодильной машины» 21

Теоретические основы функционирования холодильной машины

Холодильная машина — это комплекс механизмов и аппаратов, осуществляющих цикл холодильного агента.

Для отвода тепла от тела, имеющего низкую температуру, к телу с более высокой температурой, согласно второму закону термодинамики, требуется затрата энергии. В этом случае холодильная машина забирает тепло от тела с низким температурным уровнем, переводит его на более высокий температурный уровень и отдает в окружающую среду. Вот почему холодильную машину часто называют тепловым насосом.

В большинстве холодильных машин для охлаждения используют теплоту испарения легкокипящих жидкостей, называемых холодильными агентами или рабочими веществами. Поскольку температура кипения Т₀ ниже температуры охлаждаемого помещения Т_пом, то тепло Q₀ от последнего поступает в испаритель и поглощается кипящим холодильным агентом в виде скрытой теплоты кипения.

Низкое давление паров холодильного агента в испарителе непрерывно поддерживается отсасыванием их компрессором.

Пары, отсасываемые из испарителя, сжимаются компрессором до давления конденсации Р_к и подаются в конденсатор, в котором сжижаются, отдавая тепло конденсации Q_к окружающей среде, поскольку температура конденсации Т_к выше температуры среды Т_окр. Жидкий холодильный агент из конденсатора поступает в испаритель через регулирующий вентиль, дросселирующий его с давления P_к до давления P₀ и процесс повторяется снова.

Наиболее выгодным циклом для получения энергии при переносе тепла с высшего на низший температурный уровень является прямой цикл Карно. В отличие от него цикл холодильной машины (перенос тепла с низшего температурного уровня на высший) с затратой работы называется обратным циклом Карно. Адиабатический (без подвода и отвода тепла) процесс сжатия в цикле Карно осуществляется в компрессоре с затратой работы, а расширение – в детандере с получением работы.

На рис. 1 обратный цикл Карно изображен в S-T диаграмме (энтропия-температура).

Теплопередача

через изоляцию

а) б)

Рис. 1. Работа теплового насоса (холодильной машины):

а — диаграмма S-T

б — схема холодильной машины

Количество тепла, подведенного в испарителе к 1кг холодильного агента, циркулирующего в системе, выражается в S-Т диаграмме площадью а-б-S₂-S₁.

Это количество:

, (1)

Количество тепла, отведенного от 1 кг холодильного агента в конденсаторе (площадь в-г-S₁-S₂):

, (2)

Разность между q и q₀ представляет собой работу, затраченную в холодильной машине на передачу тепла с одного уровня на другой (площадь а-б-в-г):

, (3)

где А_l — тепловой эквивалент механической энергии.

Уравнение (3) можно написать в форме, выражающей баланс тепла холодильной машины:

(3a)

Уравнение (3а) читается так: количество тепла, отданное в конденсаторе в окружающую среду, равно сумме количества тепла, поступившего в испаритель от охлаждаемого помещения и теплового эквивалента работы компрессора.

Экономичность работы холодильной машины определяется величиной холодильного коэффициента , представляющего собой отношение полученной холодопроизводительности к затраченной работе:

(4)

Для обратного цикла Карно холодильный коэффициент с учетом уравнений (1) и (3):

(5)

Экономичность теплового насоса определяется величиной коэффициента преобразования μ, который представляет собой отношение количества тепла, полученного в конденсаторе, к затраченной работе:

(6)

Для обратного цикла Карно в этом случае коэффициент преобразования можно получить из уравнения (6), подставив в него значения q и А_l из уравнений (2) и (3):

(7)

Из уравнения (3) видно, что работа, затраченная на перенос тепла с низшего температурного уровня на высший, равна произведению разности этих температур на приращение энтропии.

Энтропия является параметром состояния вещества, как и температура давление, энтальпия (теплосодержание) и т.п.

Для определения изменения состояния рабочего тела имеет значение только разность энтропии в его начальном и конечном положении, а не абсолютная величина. Дифференциал энтропии равен отношению бесконечно малого количества сообщенного телу тепла к абсолютной температуре, т.е.

(8)

Для анализа холодильного цикла наиболее часто применяют диаграмму «энтальпия-давление» (i-lgP – диаграмму). На рис. 2 видно, что диаграмма разделена на три зоны, отделённые друг от друга кривыми насыщенной жидкости и насыщенного пара. В любой точке зоны переохлаждения хладагент находится в жидком состоянии при температуре ниже точки насыщения, соответствующей его давлению. Фазовый переход от жидкости к пару на диаграмме проходит слева направо, а из пара в жидкость — справа налево.

Простым циклом паровой компрессионной машины считается теоретиче­ский цикл, в котором пар из испарителя поступает в компрессор в состоянии насыщения при температуре и давлении парообразования, а жидкость выходит из конденсатора и поступает в регулятор расхода хладагента в состоянии насы­щения при температуре и давлении конденсации.

На рис. 3 показан простой цикл паровой компрессионной машины, работающей на хладагенте R12, нанесённый на диаграмму «энтальпия-давление». Точки A, B, C, D и E на этой диаграмме соответствуют точкам на схеме холодильной машины, показанной на рис. 4.

Точка А — это нижняя часть конденсатора, где завершается процесс конденсации и хладагент является насыщенной жидкостью при давлении и температуре конденсации. Свойства хладагента в этой части следующие:

Р=0,961 МПа, T=40 C, i=238,54 кДж/кг, S=1,130 кДж/(кг К), V=0,798 л/кг

Р , МПа

Зона перео-хлажденной жидкости

Зона фазового превращения

(парожидкостная смесь)

Конденсация пара

Зона перегретого пара

Кипение жидкости

Кривая насыщенной жидкости

Кривая насыщенного пара

i, кДж/кг

Рис. 2. Часть диаграммы «энтальпия-давление», показывающая три зоны и направление фазового превращения хладагента

Рис. 3. Диаграмма «энтальпия-давление» паровой компрессионной машины, работающей при температуре кипения 5 С и температуре конденсации 40 С, хладагент R12

В точке A значения Р, Т и i могут считываться непосредственно на диаграмме. Если известны значения Р и Т, то можно определить значение i.

Процесс, обозначенный линией A-B (рис.3) происходит в регуляторе расхода. Давление жидкости при прохождении через него понижается от давления конденсации Р_к до давления кипения Р₀. Температура жидкости при дросселировании понижается от температуры конденсации до температуры кипения путём мгновенного испарения части жидкости.

Энтальпия хладагента во время процесса A-B не меняется. Точку B определяют на диаграмме «энтальпия-давление», проводя от точки A вертикаль­ную линию (постоянной энтальпии) до пересечения с линией постоянного давления, соответствующей давлению кипения. Чтобы найти на диаграмме точку B, достаточно знать давление или температуру кипения хладагента. В точке B хладагент представляет парожидкостную смесь со следующими характеристиками:

Р=0,261 МПа; Т= –5С; i=238,535 кДж/кг; S=1,438 кДж/(кгК); V=18,696 л/кг

Изменение энтропии в процессе A-B происходит в результате того, что жидкий хладагент дросселируется без совершения полезной работы, а также в результате передачи энергии в форме теплоты в самой жидкости. При передаче теплоты энтальпия жидкости остаётся той же, а изменяется только энтропия. Энтальпию в точке B можно найти по таблицам как энтальпию хладагента с параметрами в точке A.

Линия B-C (рис. 3) характеризует процесс кипения хладагента в испарителе. Кипение происходит при постоянной температуре и давлении. Процесс B-C является одновременно как изотермическим, так и изобариче­ским. Поэтому точку С можно определить на диаграмме, если провести горизонтальную линию из точки В до пересечения с кривой насыщенного пара. В точке С хладагент выкипает полностью и превращается в насыщенный пар при температуре и давлении кипения. Параметры хладагента в точке С, которые можно определить по таблицам следующие:

Р=0,261 МПа; Т=-5 С; i=349,321 кДж/кг; S=1,5571 кДж/(кгК); V=64,963 л/кг

Рис. 4. Схема простой паровой компрессионной машины

A – пар полностью сконденсировался;

B – хладагент после регулятора расхода;

C – вся жидкость выкипела;

D – нагнетание пара компрессором;

E – начало конденсации.

Энтальпия хладагента в процессе В-С повышается, так как он поглощает теплоту из охлаждаемого пространства. Количество поглощённой хладагентом в испарителе теплоты (удельная холодопроизводительность) – разность между энтальпией хладагента в точках В и С. Если i_a, i_b, i_c, i_d, i_e и i_x обозначают энтальпию хладагента в точках A, B, C, D, Е и X соответственно, то

,

где – удельная холодопроизводительность, кДж/кг.

Но так как , то

, (9)

На диаграмме расстояние между точками X и C — общее количество скрытой теплоты парообразования 1 кг R12 при давлении кипения 0,261 МПа.

Расстояние от точки B до точки C – это полезная удельная холодопроизводительность, а разность между X-C и B-C, т.е. расстояние от точки X до точки B — это потери удельной холодопроизводительности.

Процесс в компрессорах (рис. 3) протекает по линии C-D и характеризует сжатие пара от давления кипения до давления конденсации при постоянной энтропии. Точку D можно определить на диаграмме «энтальпия-давление», если из точки C провести линию, параллельную линии постоянной энтропии, до пересечения с линией постоянного давления, соответствующей давлению конденсации.

В точке D хладагент находится в виде перегретого пара при давлении конденсации 0,961 МПа, соответствующем температуре конденсации (насыщения) 40 С. В течение процесса сжатия (C-D) компрессор совершает работу. Поэтому энергия (энтальпия) пара увеличивается пропорционально количеству совершённой механической работы. Энергетический эквивалент работы (теплота сжатия) равен разности между энтальпиями хладагента в точках D и C.

, кДж/кг (10)

где — это работа (теплота) сжатия, отнесённая к 1 кг циркулирующего хладагента.

Поглощая теплоту сжатия горячий пар находится в перегретом состоянии, т.е. его температура выше температуры насыщения. В данном случае пар выходит из компрессора с температурой 46,75С, а температура насыщения, соответствующая его давлению 0,961 МПа, составляет 40С. Чтобы создать условия для конденсации пара, его температуру необходимо снизить до температуры насыщения.

Процессы, обозначенные на диаграмме линиями D-E и E-A, происходят в конденсаторе. Пар охлаждается от температуры нагнетания до температуры конденсации, передавая теплоту охлаждающей среде. В процессе по линии D-E давление пара остаётся постоянным и точку E можно определить на диаграмме энтальпия-давление, если провести горизонтальную линию из точки D до пересечения с кривой насыщенного пара. В точке E хладагент находится в состоянии насыщенного пара при температуре и давлении конденсации:

Р=0,961 МПа; Т=40 С; i=367,146 кДж/кг; S=1,541 кДж/(кгК); V=18,171 л/кг

Теплота перегрева, отведённая от 1 кг пара в конденсаторе при его охлаждении от температуры нагнетания до температуры конденсации — это разность между энтальпией хладагента в точке D и энтальпией в точке E ( ).

Линия E-A характеризует процесс конденсации пара в конденсаторе при постоянной температуре и давлении. Теплота, отведённая в процессе, протекающем по E-A — это разность между энтальпией хладагента в точках E и A

, кДж/кг (11)

Возвращаясь в точку A, хладагент совершил полный цикл и его параметры те же, что и ранее в той же точке A. Оба процесса, характеризуемые линиями D-E и E-A, происходят в конденсаторе и общее количество теплоты, отданной среде — это сумма теплоты, отведённой в процессах протекающих по линиям D-E и E-A

, кДж/кг (12)

В данном случае:

, кДж/кг

где — теплота, отведённая в конденсаторе от 1 кг циркулирующего хладагента, кДж/кг.

Общее количество отданной хладагентом в конденсаторе теплоты должно быть равно количеству теплоты, поглощённой хладагентом во всех других точках цикла (поглощённой из охлаждаемого пространства при кипении хладагента в испарителе (q₀) и за счет механической работы сжатия в компрессоре, учитываемой энергетическим эквивалентом (q_l).

Поэтому

(13)

В данном случае

q_к = 110,78 кДж/кг + 23,08 кДж/кг = 133,86 кДж/кг

Массовый расход циркулирующего хладагента для обеспечения холодопроизводительности Q₀=1кВт равен

(14)

Для рассматриваемого цикла

m = 1кВт  110,78кДж/кг = 0,00903кг/с = 9,03 г/с

Общее количество отведенной в конденсаторе теплоты на 1 кВт холодопроизводительности составит

(15)

= 0,00903кг/c • 133,86кДж/кг = 1,209кДж/с

или

(16)

Интенсивность теплопередачи, эквивалентная теплоте сжатия на 1 кВт холодопроизводительности, равна:

(17)

= 0,00903 кг/c  23,08 кДж/кг = 0,208 кДж/с