1 Газовые холодильные машины с вихревыми трубами. Классификация газовых холодильных машин.
Газовыми называются холодильные машины, у которых весь термодинамический цикл осуществляется в области очень перегретого пара, т.е. газа. В таких машинах хладагент не меняет своего агрегатного состояния не зависимо от элемента холодильной машины.
По принципу получения низких температур газовые холодильные машины (ГХМ) делятся на два типа:
1)Детандерные ГХМ, в которых холодильный агент расширяется в специальных расширительных устройствах - детандерах с понижением температуры и с получением полезной работы;
2)Вихревые ГХМ, у которых эффект охлаждения осуществляется за счет температурного разделения потоков в специальных вихревых трубах без получения полезной работы.
При наличии в схеме регенеративного теплообменника цикл ГХМ называется регенеративным. Если в схеме регенеративный теплообменник отсутствует, то цикл является не регенеративным.
Кроме того, ГХМ могут работать по замкнутому или разомкнутому циклам. В замкнутых циклах по системе ГХМ постоянно циркулирует один и тот же холодильный агент. В разомкнутых циклах поток рабочего вещества после какого-то элемента выходит из системы и затем заменяется новой порцией холодильного агента. По разомкнутому циклу работают, как правило, воздушные газовые холодильные машины, у которых холодильным агентом является атмосферный воздух.
В качестве холодильных агентов в газовых холодильных машинах могут использоваться любые вещества в газообразном состоянии. Например, воздух, аммиак, хладоны, диоксид углерода, чистые углеводороды (пропан, метан, бутан и т.д.), азот и другие рабочие вещества. На практике чаще всего используется воздух.
В данном учебном пособии рассматриваются теоретические ГХМ, в которых отсутствуют все необратимые потери. т.е. в циклах все процессы как внутренне, так и внешне обратимы. Следовательно, процессы сжатия и расширения являются изоэнтропными, а процессы охлаждения и нагревания – изобарными.
Существующие конструкции труб можно подразделить на две группы:
адиабатные вихревые трубы (без отвода теплоты от горячего конца трубы).
не адиабатные вихревые трубы (с интенсивным отводом теплоты от горячего конца трубы).
Рисунок 1 – Схема воздушной холодильной машины с вихревой трубой.
Рисунок 2 – Цикл холодильной машины с вихревой трубой в S-T – диаграмме.
Удельная массовая холодопроизводительность (теплота, отводимая от охлаждаемого объекта одним килограммом холодильного агента (воздуха), циркулирующего в системе холодильной машины) вычисляется по формуле:
(1)
где
h6 и h4 – энтальпия воздуха в охлаждаемом
объекте и энтальпия холодного воздуха
на выходе из вихревой трубы; СР –
изобарная теплоёмкость воздуха;
- доля холодного потока воздуха, выходящего
из вихревой трубы. Где
- массовый расход холодного воздуха,
выходящего из вихревой трубы;
- общий массовый расход воздуха через
вихревую трубу. Количество теплоты,
отведённой от 1кг воздуха в цикле, равно
сумме теплоты, отведённой от воздуха в
теплообменнике
и при охлаждении горячего потока,
выходящего из вихревой трубы
:
(2)
где h2 и h3 – удельные энтальпии воздуха в начале и в конце процесса изобарного охлаждения воздуха в теплообменнике; h5 и h1 – удельные энтальпии воздуха на выходе из вихревой трубы и энтальпия окружающего воздуха.
Удельная работа цикла (работа, затрачиваемая в цикле на 1кг воздуха) равна удельной работе компрессора. В политропном процессе сжатия удельная работа компрессора равна:
(3)
где R – удельная газовая постоянная; n – показатель политропы, который, можно определить по формуле.
где p1 и p2 – давление в начале и в конце процесса, соответственно, Па; v1 и v2 – удельные объёмы в начале и в конце процесса, соответственно, м3/кг. Эффективность цикла холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом:
(4)
Рассчитать удельную холодопроизводительность цикла холодильной машины q0 и удельную теплоту, выделяющуюся в цикле q, кДж/кг:
Определить холодопроизводительность холодильной машины Q0, кВт:
(6)
где
- расход воздуха в системе холодильной
машины кг/с:
где
- объёмная производительность компрессора
(
);
- коэффициент подачи (
);
- удельный объём воздуха на входе в
компрессор, м3/кг;
Рассчитать удельную теоретическую работу компрессора при адиабатическом сжатии воздуха
,
кДж/кг по формуле:
Определить теоретическую мощность компрессора
,
кВт:
(7)
Рассчитать электрическую мощность, потребляемую электродвигателем компрессора
,кВт:
(8)
где
- адиабатный КПД компрессора (
);
- механический КПД компрессора (
);
- КПД электродвигателя компрессора (
).
Определить действительную потребляемую электродвигателем компрессора мощность по показаниям вольтметра и амперметра, кВт:
(9)
где
U
– напряжение, измеренное по вольтметру,
В;
I
–
ток, измеренный по амперметру, А;
- коэффициент мощности (
).
Определить холодильный коэффициент холодильной машины теоретический
и действительный
:
(10)
(11)
Определить относительное отклонение значения расчётного холодильного коэффициента от действительного в %:
(12)