Порядок выполнения работы

В лаборатории студенты знакомятся с конструкцией герметичного, полугерметичного и негерметичного поршневых компрессоров, выполняют сборочный чертеж одного из узлов компрессора и заполняют спецификацию к нему в соответствии с требованиями ЕСКД.

Затем по исходным данным студенты строят р-V диаграмму рабочего процесса поршневого компрессора.

Построение р-V диаграммы рабочего процесса

поршневого компрессора

Объем цилиндра поршневого компрессора определяется исходя из диаметра и хода поршня с учетом «мертвого пространства» цилиндра, которое для непрямоточных компрессоров средней производительности составляет 4…5 %.

Расчетная часть

V_b=0,25D²s(1+0,05). (1)

Давление, соответствующее точке «b» составляет

р_b = р₀ – р₀, (2)

где р₀ – гидравлическое сопротивление на линии всасывания, зависящее от конструкции всасывающего вентиля и клапана (в среднем р₀=0,03 МПа).

Точку «с» характеризует давление р_с

р_с = р_к +р_к, (3)

где р_к – гидравлические потери на линии нагнетания, определяемые конструкциями нагнетательного клапана и вентиля (в среднем 0,06 МПа).

Можно считать, что сжатие в цилиндре происходит по адиабате, тогда из первого закона термодинамики

р_b^.V_b^k = р_с^.V_с^k (4)

где k – показатель адиабаты холодильного агента.

. (5)

Точка «d» лежит на изобаре «с – d» и р_d = р_с. Объем V_d определяется «мертвым пространством» цилиндра

. (6)

Точка «а» ограничивает адиабату «d – a», ей соответствует давление р_b и объем V_а определяется выражением

. (7)

Контрольные вопросы

1. По каким признакам классифицируются поршневые компрессоры?

2. Каковы устройство и принцип действия герметичного компрессора?

3. Каковы устройство и принцип действия полугерметичного компрессора?

4. Каковы устройство и принцип действия негерметичного компрессора?

5. Каким образом осуществляется построение индикаторной диаграммы компрессора?

Лабораторная работа № 2

Определение основных характеристик одноступенчатой

фреоновой холодильной установки

Ц е л ь р а б о ты : 1. Изучение устройства и принципа действия одноступенчатой холодильной установки.

2. Приобретение практических навыков расчета основных характеристик холодильной установки.

Р е к о м е н д у е м а я л и т е р а т у р а : [1, 3, 5].

Теоретические сведения

Холодильные машины, в которых для получения холодильного эффекта используют кипение жидкостей при низких температурах, называют паровыми холодильными машинами.

В основе действия парокомпрессионных холодильных машин (рис. 2) лежит второй закон термодинамики (или второе начало), который применительно к холодильным машинам гласит: для передачи теплоты от менее нагретого тела (холодного) к более нагретому (горячему) необходимо затратить энергию.

В тепловом двигателе происходит прямой круговой процесс или цикл – последовательное изменение состояния рабочего вещества и возвращение его в исходное состояние.

В прямом цикле при подводе теплоты Q от источника с высокой температурой T₂; совершается работа L. При этом часть теплоты Q_o переходит к источнику с низкой температурой T₁.

Рис. 2. Принципиальные схемы действия теплового двигателя (а)

и холодильной машины (б)

В холодильной машине происходит обратный круговой процесс или цикл. При совершении работы L теплота Q₀ с помощью рабочего вещества передается от источника с низкой температурой T₁ к источнику с более высокой температурой Т₂.

Таким образом, для цикла холодильной машины можно дать следующее определение: циклом холодильной машины называется замкнутый процесс последовательного изменения состояния циркулирующего в ней рабочего вещества за счет затраты энергии, при этом осуществляется перенос теплоты Q₀ от охлаждаемой среды к более теплой окружающей среде – воздуху или воде

Энергетическую эффективность холодильной машины оценивают холодильным коэффициентом, представляющим отношение теплоты Q₀ к работе L, которую нужно затратить, чтобы отвести ее от источника с низкой температурой

 = Q₀ /L. (8)

Холодильный коэффициент может быть в несколько раз больше 1. Он зависит от разности температур T₁ - T₂ . С ее увеличением он уменьшается.

В парокомпрессионной холодильной машине происходят следующие процессы:

- кипение рабочего вещества (хладагента) в испарителе; при этом теплота Q₀ отводится от охлаждаемой среды;

- сжатие паров рабочего вещества в компрессоре;

- конденсация паров рабочего вещества в конденсаторе, при этом теплота Q передается окружающей или нагреваемой среде;

- дросселирование рабочего вещества в регулирующем вентиле.

Таким образом, парокомпрессионная холодильная машина должна иметь четыре обязательных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль (рис. 3).

Принципиальная схема одноступенчатой холодильной машины показана на рис. 3, а, ее теоретический цикл (обратный круговой процесс) в lg p- i диаграмме – на рис. 3, б и в, T- s диаграмме – на рис 3, в.

Принципиальная схема включает основные элементы машины, необходимые для осуществления ее цикла. Вспомогательные элементы (аппараты, арматуру и др.), которые могут играть существенную роль в обеспечении надежного и безопасного функционирования машины, на принципиальных схемах не показывают.

Цифрами 1, 2, 3 и т.д. на принципиальной схеме и диаграммах обозначают так называемые характерные точки, соответствующие состоянию хладагента в начале или конце процесса, происходящего в холодильной машине или каком-либо ее элементе.

Рис. 3. Принципиальная схема (а) и цикл в lg p - i диаграмме (б)

и T - s днаграмме (в) одноступенчатой холодильной машины:

КМ – компрессор; КД – конденсатор; И – испаритель;

РВ – регулирующий вентиль

На рис. 3 точка 1' соответствует состоянию перегретого пара, всасываемого компрессором. В целях предотвращения «влажного хода» (попадания в цилиндр компрессора частиц жидкости) пар в этой точке должен быть перегрет, т.е. иметь температуру на 10...15 °С выше температуры насыщенного пара в точке 1.

Процесс перегрева пара 1 - 1' может происходить внутри испарителя, частично во всасывающем трубопроводе и во всасывающей полости самого компрессора. Обычно перегрев в трубопроводе при рассмотрении принципиальных схем и циклов не учитывают. На рис. 3 показано, что точка 1 находится «внутри» испарителя.

Процесс сжатия пара 1' - 2 осуществляется в компрессоре. Пар сжимается от давления кипения p₀ до давления конденсации p_к. Этот процесс, считают изоэнтропным (s=const), протекающим без трения между молекулами и без теплообмена с окружающей средой, – особый случай адиабатного процесса.

В точке 2 хладагент находится в состоянии сильно перегретого пара при давлении p_к. Для совершения процесса сжатия 1' - 2 необходимо затратить работу l в кДж/кг, которую можно, определить как разность энтальпий в конце и начале процесса

. (9)

Для того чтобы осуществить процесс конденсации, необходимо сначала понизить температуру перегретого пара до температуры насыщенного пара при данном давлении p_к. Процесс охлаждения пара 2 - 2' может происходить в конденсаторе и частично в нагнетательном трубопроводе. Точка 2' показана на рис. 3, а «внутри» конденсатора.

Процесс конденсации 2' - 3, т.е. превращения насыщенного пара в насыщенную жидкость, происходит при постоянных давлении р_к и температуре t_к и сопровождается отдачей теплоты среде, охлаждающей конденсатор.

После завершения процесса конденсации жидкий хладагент может быть здесь же, в конденсаторе, переохлажден (процесс 3- 3') от температуры насыщенной жидкости до более низкой температуры при том же давлении p_к.

Так как процессы 2 - 2' и 2' - 3 протекают в конденсаторе, общая удельная теплота q_КД в кДж/кг, отводимая в конденсаторе

q_КД=i₂ - i₃. (10)

Переохлажденный жидкий хладагент поступает в регулирующий вентиль, где дросселируется (процесс 3' – 4). При этом давление падает от p_К до р₀, а температура понижается от t₃ до t_0.

В процессе дросселирования полезная работа не совершается, а энергия в виде теплоты передается хладагенту и расходуется на частичное испарение жидкости. Поэтому при неизменной энтальпии возрастает его энтропия.

Процесс кипения 4 - 1 хладагента происходит в испарителе при постоянных давлении p₀ и температуре t_к и, так же как и процесс конденсации, является одновременно изобарическим и изотермическим.

Удельную массовую холодопроизводительность машины определяют по формуле

q₀=i₁ - i₄. (11)

Для рассмотренного цикла 1 - 2 - 3 - 4 - 1 холодильный коэффициент

. (12)