7. Питання для самоперевірки

1. Назвіть три можливих стани вологого повітря.

2. Яке повітря називається ненасиченим, насиченим та перенасиченим?

3. Що називається абсолютною, відносною вологістю і вологовмістом?

4. Що називається температурою мокрого термометра?

5. Що називається температурою точки роси?

6. Як визначається ентальпія вологого повітря?

7. Що називається сушінням?

8. З яких елементів складається конвективна сушильна установка?

9. Як відображається процес нагрівання повітря в H,d-діаграмі?

10. Як розраховується потужність електрокалорифера?

11. Що таке теоретична сушарка, чим вона відрізняється від реальної?

12. Як відображається в H,d-діаграмі процес адіабатного зволоження повітря в теоретичній сушарці?

13. Як за допомогою H,d-діаграми розрахувати втрати тепла в реальній сушарці?

14. Як за допомогою H,d-діаграми визначити парціальний тиск пари?

15. Яка інформація необхідна для визначення температури точки роси?

Рис.2.4. H,d-діаграма вологого повітря.

Лабораторна робота № 3

ВИПРОБОВУВАННЯ КОМПРЕСОРНОЇ ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

1. Ціль роботи

Поглибити знання з теми «Термодинамічні цикли холодильних установок», ознайомитися з конструкцією і методикою проведення випробовувань холодильної установки.

2. Завдання

1. Визначити параметри холодоагента в характерних точках циклу.

2. Відобразити цикл холодильної установки на Т, S - діаграмі.

3. Визначити холодопродуктивність установки, витрати енергії на привід компресора, холодильний коефіцієнт.

Звіт про роботу повинен вміщувати схему і короткий опис лабораторної установки, опис принципу роботи компресорної холодильної установки і термодинамічних процесів, що протікають в її елементах, таблиці результатів вимірювань і обробки дослідних даних, відображення циклу холодильної установки в Т, S - координатах.

5. Загальні відомості

Значна кількість технологічних процесів в промисловості проходить при низьких температурах. Для підтримання температури охолоджуємих тіл нижче температури навколишнього середовища необхідно безперервно відводити від них теплоту і передавати її навколишньому середовищу.

Згідно другому закону термодинаміки для здійснення передачі теплоти від менш нагрітих тіл до більш нагрітих необхідно витрачати енергію. В залежності від форм витрати енергії холодильні установки поділяються на компресорні (енергія витрачається у вигляді механічної роботи на привід компресора), абсорбційні та інші.

Найбільш широко в промисловості застосовують компресорні холодильні установки. Робочим тілом (холодоагентом) в цих установках служить рідина, що має при атмосферному тиску температуру кипіння нижче 0 ^оС. Найбільш поширеними холодоагентами є аміак і фреони.

Принципова схема компресорної холодильної установки показана на рис.3.1. Основним енергоспоживаючим вузлом установки є компресор. Газоподібний холодоагент стискується в компресорі 1 від тиску Р₁, який звичайно перевищує атмосферний тиск до тиску Р₂ (Р₂ ~ 0,6÷1,0 МПа), при цьому температура холодоагента підвищується. Потім холодоагент надходить в конденсатор 2, де, віддаючи теплоту навколишньому середовищу, охолоджується і конденсується. Після виходу із конденсатора рідкий холодоагент дроселюють через регулюючий вентиль 3 до тиску Р₁. При цьому холодоагент частково випаровується, а його температура знижується до температури випаровування (кипіння) при тиску Р₁. Надалі випаровування холодоагента відбувається в випарнику 4 за рахунок теплоти, що відбирається від охолоджуємих тіл. Випарений (газоподібний) холодоагент знову надходить в компресор і цикл повторюється.

Рис 3.1. Схема компресорної холодильної установки:

1 - компресор, 2 - конденсатор, 3 - дросельний вентиль, 4 -випарник.

Цикл холодильної установки, побудований в координатах температура-ентропія (рис.3.2) дозволяє простежити за змінами станів холодоагента в різних вузлах установки і визначити основні її енергетичні характеристики.

Рис. 3.2. Зображення циклу компресорної холодильної установки

в Т-S - діаграмі фреону Ф-12.

Розгляд циклу почнемо з компресора, в якому відбувається процес стиснення газу. Кінцевий тиск газу при стисненні залежить від умов теплообміну газу з оточуючим середовищем. Теоретично можливі два граничні випадки стиснення:

1) уся енергія, що витрачається на стиснення газу, повністю відводиться і температура газу при стисненні залишається незмінною – ізотермічний процес;

2) теплообмін газу з оточуючим середовищем повністю відсутній і енергія, що витрачається на стиснення, перетворюється на внутрішню енергію газу, при цьому підвищується температура газу, – адіабатний процес.

Реальне стиснення газу в компресорах без охолодження ближче до адіабатного процесу, тому спочатку розглянемо саме такий варіант стиснення.

В компресорі в адіабатному процесі 1-2 холодоагент стискується, причому весь процес 1-2 проходить в області перегрітої пари. Після стиснення температура суттєво перевищує температуру навколишнього середовища. В конденсаторі в ізобарному процесі 2-3а-3б-3 теплота відводиться від холодоагента, який переходить із стану перегрітої пари (точка 2 на рис.3.2) в стан сухої насиченої пари (точка 3а), потім в ізобарно-ізотермічному процесі 3а-3б переходить в стан насиченої рідини 3б і далі ізобарно в стан однофазної ненасиченої рідини 3, при цьому Т₃< Т_3б.

Конденсація відбувається тоді, коли температура кипіння холодоагента при тиску Р₂ перевищує температуру навколишнього середовища. Відведеній в конденсаторі теплоті q₁ відповідає площа 2-3а-3б-3-S₃-S₁-2. Процес охолодження і конденсації холодоагента 2-3а-3б-3 є ізобарним, тому теплота процеса q₁ може бути визначена як різниця ентальпій початкового і кінцевого стану:

(3.1)

В регулюючому вентилі холодоагент дроселюється і переходить із рідкого стану в стан вологої насиченої пари. Дроселювання - адіабатно-ізоєнтальпійний процес, проте, внаслідок його незворотності ентропія холодоагента зростає (пунктирна лінія 3-4).

У випарнику до холодоагента в ізобарному процесі 4-4а-1 підводиться теплота q₂, якій відповідає площа S₄-4-4а-1-S₁-S₄.

Ділянка 4-4а відображає ізобарно-ізотермічне випаровування холодоагента, а ділянка 4а-1 нагрівання газоподібного холодоагента перед входом в компресор.

Кількість теплоти q₂, відведеної 1 кг холодоагента від охолоджуємих тіл називається питомою холодопродуктивністю.

Так як процес 4-4а-1 є ізобарним, тоді

(3.2)

Площа S₃-4б-4-S₄ відповідає втраті холодопродуктивності внаслідок незворотності процесу адіабатного дроселювання рідини. 3 врахуванням умови h₃= h₄ і на основі 1 і 2 законів термодинаміки визначимо теоретичну роботу адіабатного стиснення холодоагента в компресорі l₀

(3.3)

Покажемо, що роботі l₀ відповідає площа 1-2-3а-3-5-1. Спочатку згадаємо, як за допомогою T,S-діаграми можна розрахувати ентальпію. По-перше, треба домовитись про рівень відліку ентальпії. Так для води і водяної пари приймається h₀=0 для стану насиченої рідини за умов трьохфазної рівноваги тверде-рідина-пара, тобто при Т₀=273,16 К, Р₀ = 611 Па. Для визначення, наприклад, ентальпії сухої насиченої пари h(T,P_н) спочатку треба здійснити процес адіабатного стиснення рідкої води від Р₀ до Р_н, оскільки рідина вважається практично нестисливою, то збільшенням температури в цьому процесі нехтують, наслідком цієї особливості рідини є те, що на T,S-діаграмі ізобари рідини практично збігаються з лінією кипіння насиченої рідини. Отже ізобара Р_н.=const спочатку збігається з лінією насичення до Т=Т_н, де Т_н – температура кипіння води під тиском Р_н, потім ізобара йде горизонтально в області вологої насиченої пари до перетину з лінією сухої насиченої пари. Площа під кривою процесу чисельно відповідає ентальпії h(T,P_н). Частина площі під лінією кипіння відповідає теплоті, яку необхідно підвести, щоб ізобарно нагріти рідину від температури Т₀ до Т_н, площа під ізотермою Т_н (в межах від лінії насиченої рідини до лінії сухої насиченої пари) відповідає теплоті пароутворення. Якщо додатково ізобарно нагрівається перегріта пара, то додається площа під ізобарою пари, яка відповідає цьому процесові. Зазначимо, що при обчисленні площі, по осі Y повинна бути відкладена абсолютна температура Т,К, Y₀=0 К.

Аналогічно для холодоагенту треба визначити Т₀, при якому вважати h₀=0 (Це може бути Т₀=0° К). Після цього процедура визначення h(T,P) буде аналогічною до вищезгаданої.

Припустимо, що ентальпія холодоагента в стані 5 дорівнює h₅. Різниця ентальпій h₁-h₅ дорівнює теплоті, підведеній в ізобарному процесі (Р₁=соnst) 5-4-4а-1, якій відповідає площа 5-4-4а-1-S₁-S₅-5. Різниця ентальпій h₂-h₅ дорівнює теплоті, підведеній при Р₂=соnst в процесі 5-3-3б-3а-2, якій відповідає площа 5-3-3б-3а-2-S₁-S₅-5. Отже роботі l₀=h₂-h₁ відповідає різниця вищенаведених площ – площа 5-3-3б-3а-2-1-4а-4-5.

Показником ефективності холодильної установки є холодильний коефіцієнт ε, що відображає відношення холодопродуктивності q₂ до енергетичних витрат на привід компресора l₀.

(3.4)

У випадку адіабатного стиснення холодоагента в компресорі параметри холодильного циклу зручно визначати в Р,h-діаграмі (рис.3.3).

На рис. 3.3 замкнутий круговий процес 4-4а-1-2-3а-3б-3-4 відображає розглянутий вище холодильний цикл. Теплоті q₂= h₁-h₄ відповідає відрізок а, роботі l₀= h₂-h₁ відрізок b. Чисельному значенню ε відповідає відношення довжин відрізків а і b. Перевага Р,h-діаграми є в тому, що замість вираховування площ у Т,S-діаграмі можна визначити лінійні відрізки. В реальному компресорі за рахунок його часткового охолодження процес стиснення відбувається із зменшенням ентропії (процес 1-2а на рис.3.2.). Теоретична робота політропного стиснення 1-2а менше роботи адіабатного стиснення 1-2 на величину Δ1, якій в Т,S-діаграмі відповідає площа трикутника 2-2а-1. Ця площа дорівнює різниці площ трапецій S_2а-2а-2-1-S₂ і S_2а-2а-1-S₂:

(3.5)

де: Т_2а, S_2а – температура і ентропія холодоагента на виході компресора; Т₁, S₁ – температура і ентропія холодоагента на вході компресора; Т₂ – кінцева температура адіабатного (S₁=S₂=соnst) стиснення холодоагента до тиску Р₂.

Рис. 3.3. Зображення циклу компресорної холодильної установки

в р-h діаграмі фреона-12.

При політропному стисненні холодоагента в компресорі

(3.6)

(3.7)

де h₂ визначається при Р₂ і S₁.