ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический

университет"

Кафедра физики твердого тела

Методические указания

к лабораторным работам

по курсу «Холодильные машины и установки»

для студентов направления 140700.62 «Ядерная энергетика

и теплофизика»

(профиль «Техника и физика низких температур»)

очной формы обучения

Воронеж 2015

Составитель канд. физ.-мат. наук О.В. Калядин

УДК 621.56

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Холодильные машины и установки» для студентов направления 140700.62 «Ядерная энергетика и теплофизика» (профиль «Техника и физика низких температур») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. О.В. Калядин. Воронеж, 2015. 52 с.

Методические указания содержат теоретическую часть к каждой лабораторной работе, описание лабораторных установок, методику выполнения работы и контрольные вопросы

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2007 и содержатся в файле Мет. Лаб. (ХМУ).docx.

Ил. 10. Табл. 1. Библиогр.: 2 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. В. А. Юрьев

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

Лабораторная работа №1 Изучение свойств теплоизоляционных материалов

Цель работы: изучить роль изоляции в процессе термостатирования холодильной установки.

Аппаратура: ларь морозильный СНЕЖ МЛК 350, термометр для определения температуры, хронометр.

Теоретическая часть: холодильные установки в зависимости от характера технологического процесса могут быть двух видов:

1) технологический процесс предусматривает непрерывное понижение температуры охлаждаемого объекта от начальной температуры до необходимой конечной (охлаждение и замораживание продуктов, охлаждение воздуха в помещениях); работа таких холодильных установок осуществляется в условиях нестационарного теплового состояния;

2) технологический процесс требует поддержания постоянных параметров охлаждаемой среды, для того чтобы при этих условиях осуществлялись химические реакции или хранились вещества, требующие постоянства параметров в аппаратах и в охлаждаемых помещениях для сохранения их качества; такие установки работают в условиях стационарного теплового состояния.

Так, в охлаждаемых помещениях холодильных установок второго вида должны устанавливаться и длительное время поддерживаться определенные параметры воздушной среды, отвечающие технологическим условиям обработки и хранения тех или иных продуктов, материалов, изделий, находящихся в данном помещении. К таким параметрам состояния воздуха внутри охлаждаемого помещения относятся прежде всего температура и влажность воздуха. При этом охлаждаемым помещением можно считать лишь такое, в котором поддерживается в определенных установленных пределах некоторая температура, более низкая, чем температура окружающей среды.

С этой цель помещение или отдельный аппарат термоизолируется от окружающей среды.

Для понижения температуры в замкнутом помещении (аппарате) и поддержания ее на заданном уровне помещение (аппарат) необходимо охлаждать, т.е. отводить теплоту с помощью системы охлаждения. С момента понижения температуры помещения (аппарата) t_nм в него начинает проникать теплота из окружающей среды, возникают и другие теплопритоки.

Скорость изменения температуры t_nм прямо пропорциональна разности между теплопритоком Q_T в помещение (количеством теплоты в джоулях, проникающим в помещение и выделяющимся в нем в единицу времени, например в секунду) и теплоотводом Q₀ из него (холодильной мощностью в ваттах испарителя холодильной машины или установленных в помещении охлаждающих приборов) и обратно пропорциональна коэффициенту тепловой емкости С объекта

dt_nм /dτ = (Q_Т – Q₀)/C (1.1)

где С – коэффициент тепловой емкости, представляющий количество теплоты, которую необходимо подвести к объекту или отвести от него, для того чтобы изменить температуру помещения (аппарата) на один кельвин.

Равенству dt_nм /dτ = 0 соответствует наступление равновесия между теплопритоком и теплоотводом, характеризуемое уравнением теплового баланса

Q_T=Q₀ (1.2)

и самоустановление определенной температуры воздуха t_nм в охлаждаемом помещении (или любой среды в охлаждаемом аппарате), называемой равновесной температурой. Уравнение теплового баланса, включающее теплопритоки от различных источников при стационарном режиме, может иметь следующий вид:

Q_н+Q_гр+Q_вн=Q₀, (1.3)

где Q_н - теплоприток через ограждения; Q_гр - теплоприток от обрабатываемых грузов; Q_вн - теплоприток от источников, расположенных внутри помещения (от людей, от осветительных приборов, от двигателей и т. п.).

Однако установившееся равновесие является временным. Холодильные установки работают при переменных внешних условиях, т. е. неизменно выводятся из состояния равновесия. Если теплоприток Q_T становится больше теплоотвода Q₀, то это вызывает повышение температуры t_nм. Если же теплоприток оказывается меньше теплоотвода, то результатом такого, неравенства будет понижение температуры в помещении. В связи с этим важно знать, как ведет себя данная система, будучи выведенной, из состояния равновесия. Для простоты рассуждения рассмотрим ситуацию, когда в охлаждаемое помещение проникает теплота от единственного источника - только через наружные ограждения. Будем вести расчет для стационарного режима. Количество теплоты (Дж), проникающее через ограждения в единицу времени,

Q_T = Q_H = k_нF_н (t_н – t_пм) (1.4)

где k_н- коэффициент теплопередачи ограждении; F_н-площадь поверхности ограждений; t_н - температура наружного воздуха.

С другой, стороны, секундное количество теплоты (Вт), отводимое охлаждающими приборами, определяется выражением

Q₀ = k₀F₀ (t_пм –t₀), (1.5)

где k₀ - коэффициент теплопередачи охлаждающих приборов; F₀ - площадь поверхности охлаждающих приборов; t₀ - температура охлаждающей среды (если пренебречь термическими сопротивлениями внутренней теплоотдачи и стенок трубы, ее можно принять равной температуре поверхности охлаждающих приборов). Тогда, согласно выражению (1.2),

k_нF_н (t_н – t_пм) = k₀F₀ (t_пм –t₀), (1.6)

Если внешние условия изменились, например, повысилась температура наружного воздуха, то это вызовет возрастание теплопритока Q_T, как следует из выражения (1.4), и его превышение над теплоотводом Q₀, в результате чего произойдет повышение температуры воздуха в помещении.

Последнее, в свою очередь, вызывает рост теплоотвода, характеризуемого выражением (1.5). Однако повышение температуры воздуха t_пм будет замедлять рост теплопритока через ограждения до тех пор, пока теплоприток не сравняется с растущим теплоотводом (т. е. возрастающей производительностью испарителя) при новом значении температуры t_пм.

Такое самовыравнивание температуры охлаждаемого помещения (объекта) не всегда решает задачу регулирования, этого параметра. Величина саморегулируемого параметра может выйти за установленные в данном случае пределы, и для ее сохранения внутри этих, пределов надо располагать соответствующими средствами (автоматическое регулирование). Если из уравнения теплового баланса (1.6) найти величину равновесной температуры воздуха в помещении

t_пм = (k_нF_н t_н + k₀F₀ t₀)/(k_нF_н + k₀F₀), (1.7)

то выражение (7) включает и величины, воздействуя на которые, можно добиться изменения, температуры t_пм, в желаемом направлении. Поскольку в уравнении (1.1) регулирующим воздействием является: холодопроизводительность испарителя: Q₀, то для регулирования (вручную или: автоматически) температуры t_пм следует изменять величины, входящие в (1.5), т. е. k₀, F₀ и t₀ (например, изменением скорости циркуляции воздуха (k₀) или выключением части охлаждающих приборов (F₀) и т.д.).

Величины k_н, F_н и t_н регулировать не представляется возможным, так как в общем случае они от нас не зависят (входят в выражение для нагрузки (1.4)) и определяются параметрами окружающей среды и свойствами ограждения. Однако эти параметры оказывают существенное влияние на температуру внутри помещения и на работу холодильной установки в целом. Особое значение здесь имеет коэффициент теплопередачи ограждения k_н. Его величина определяется в основном типом тепловой изоляции и ее толщиной. При строительстве холодильной установки на создание изоляции расходуется 25 - 40% стоимости всего сооружения, в связи с чем должно быть уделено серьезное внимание правильному выбору изоляционного материала, тщательному проектированию и выполнению изоляционных конструкций ограждений.

Отсутствие изоляции или ее значительное ухудшение влекут за собой невозможность поддержания в охлаждаемых помещениях нужных теплового и влажностного режимов, увеличение усушки продуктов, порчу хранящихся ценных грузов и увеличение расхода энергии на производство холода. Все это указывает на необходимость внимательного подхода к широкому кругу вопросов, относящихся к изоляции, охлаждаемых помещений.

Особенностью работы холодильной изоляции является возможность конденсации водяного пара на поверхностях ограждения или внутри изоляции, а в некоторых случаях и замерзания выпавшей влаги. В этих условиях необходимо, чтобы теплоизоляционные материалы не только имели хорошие первоначальные свойства, но и по возможности сохраняли их в условиях длительной эксплуатации. По этой причине к теплоизоляционным материалам предъявляется ряд требований: