1 Общие требования к выполнению практического занятия

Цель занятия: закрепить (на конкретных примерах) знания студентов о теоретических основах работы транспортных холодильных установок.

Задачи занятия:

– ознакомиться с устройством и элементами автоматизации работы компрессионной паровой поршневой холодильной машины с одноступенчатым сжатием;

– построить в координатах lg p,iдиаграмму теоретического цикла работы рассматриваемой холодильной машины по заданным значениям опорных параметров цикла;

– определить основные показатели теоретического цикла работы машиныи её холодопроизводительностьсогласно варианту индивидуального задания;

– составить отчёт о выполнении индивидуального задания.

Оформление отчёта о выполнении индивидуального задания должно удовлетворять установленным нормам [1]. Отчёт должен включать следующие структурные элементы:

– титульный листпо форме, приведённой в приложении А;

– индивидуальное задание, в котором студент приводит исходные данныеиз приложения Бдля своего варианта, указанного преподавателем(образец оформления индивидуального задания на бланке, смотреть в приложении В).

– список определений и обозначений;

– основную; часть;

– библиографический списокисточников литературы, на которые имеются ссылки в пояснительной записке.

Вариант «00» (см. прил. А) используется преподавателем для разъяснения материала практического занятия на примерах.

Основная часть отчёта должна включать следующие пункты:

1 Принципиальная схема, назначение элементов и общий вид теоретического цикла фреоновой холодильной машины с одноступенчатым сжатием в координатах lg p,i;

2 Построение и расчёт теоретического цикла фреоновой холодильной машины по заданным значениям опорных термодинамических параметров;

3 Расчёт холодопроизводительности машины.

2 Методические указания к выполнению индивидуального задания

Каждый студент должен по [2, п. 4.4–4.5] ознакомиться с теоретическим материалом по рассматриваемым на практическом занятии вопросам.

В пункте «1 Принципиальная схема, назначение элементов и общий вид теоретического цикла фреоновой холодильной машины с одноступенчатым сжатием в координатах lg p, i» необходимо:

– привести принципиальную схему компрессионной холодильной машины с одноступенчатым сжатием (рисунок 1) дать назначение всех её элементов;

– изучить принцип работы этой машины, и привести в отчёте графическую интерпретацию обратного (холодильного) цикла Карно, показанную на рисунке 2, а также указать термодинамические процессы, совершаемые хладагентом в этом цикле при работе машины;

– изучить устройства, обеспечивающие автоматизацию работы машины в экономичном режиме (рисунки 3 и 4).

Данный пункт является базовым (теоретическим) для выполнения вариативной части практического занятия. Текст пояснительной записки не зависит от варианта индивидуального задания, следовательно, является одинаковым для всех студентов и должен быть изложен следующим образом (допускается укороченная версия на усмотрение студента).

Принципиальная схема и назначение элементов фреоновойхолодильной машины с одноступенчатым сжатием

Практическое занятие выполняется на базе упрощённой компрессионной поршневой паровой холодильной машины с одноступенчатым сжатием (далее – ХМ), принципиальная схема которой показана на рисунке 1. В качестве хладагента в машине используется хладон (фреон-12). Машина содержит четыре главных элемента:

– испаритель, который является теплообменным аппаратом, помещённым в холодильную камеру, и служит для кипения жидкого хладона за счёт теплоты, отводимой из холодильной камеры. Это возможно при пониженном постоянном давлении кипения хладонар_ои соответствующей ему температуре хладонаt_о, которая ниже температуры груза (воздуха) в холодильной камере t_г;

– компрессор, служащий для сжатия паров хладона при повышении их давления до значенияр_к, при котором температура паровt_кстановится выше температуры наружного воздухаt_ндля возможности отдачи теплоты хладона в окружающую среду;

– конденсатор, который является теплообменным аппаратом, контактирующим с окружающей средой, и служит для сжижения паров хладона и отвода от них теплоты конденсации в окружающую среду при постоянномр_ки приt_к>t_н;

– терморегулирующий вентиль (ТРВ), расположенный перед испарителем и служащий для дросселирования жидкого хладона при понижении его давления и температуры до значенийр_оиt_о.

Рисунок 1 – Принципиальная схема фреоновой ХМ

Конденсатор и испаритель – змеевиковые с листовым оребрением. Компрессор поршневой, вертикальный. Коленчатый вал приводится во вращение электродвигателем через клиноремённую передачу. Характеристика компрессора и скорость вращения коленчатого вала определены заданием.

Дополнительными элементами ХМ являются:

– ресивер, являющийся сосудом для хранения жидкого хладона в нерабочем или транспортабельном состоянии ХМ;

– фильтр, служащий для очистки хладона от примесей (грязь, масло), приникающих в систему из компрессора;

– вентилятор, обеспечивающий эффективное воздушное охлаждение конденсатора;

– термостат, автоматически регулирующий подачу хладона в испаритель (см. рис. 2);

– прессостат, который автоматически поддерживает нужную температуру воздуха в холодильной камере (см. рис. 3).

Кроме того, холодильная машина имеет соединительные трубопроводы, угловые (для подключения манометров к компрессору) и ручные (у ресивера) вентили.

Хладагент циркулирует в замкнутой термодинамической системе в направлении 1–2–3–4 (см. рис. 1).

Принцип работы ХМ и графическая интерпретация обратного цикла Карно

Для построения обратных холодильных циклов и определения значений параметров хладагента в любой точке замкнутого контура холодильной машины обычно используют lg p,i-диаграмму, показанную на рисунке 2 (детальнаяlg p,i-диаграмма состояний фреона-12, которая используется в вариативной части практического занятия, прикладывается к заданию).

Рабочее поле (фон) диаграммы содержит линии фиксированных дискретных значений термодинамических параметров: t =const(изотермы),p =const(изобары), v =const (изохоры),s =const(адиабаты),i =const(изоэнтальпы). Определяющую роль на диаграмме играют две пограничные кривые: левая линия характеризует состояние насыщенной жидкости (на ней паросодержание= 0), а правая – состояние сухого пара (= 1). Между пограничными кривыми сухости влажного пара находится область кипения (область влажного пара), заполненная также кривыми, которые обозначают промежуточные значения сухости влажного пара (=const), показанные на рисунке 5.

Для рабочего холодильного цикла (контур 1–2–3–4), в отличие от теоретического (1'–2'–3–4), характерно, что компрессор всасывает из испарителя не сухой насыщенный пар с параметрами p_оиt_о, а перегретый (точка 1). Перегрев пара происходит в испарителе и трубопроводе. Перегретые пары хладагента адиабатически (по линииs=const) сжимаются в конденсаторе до давленияp_к(процесс 1–2) и при этом нагреваются за счёт механической энергии (работы) до температурыt₂(перегрев сжатия – точка 2).

Рисунок 2 – lgp,i-диаграмма теоретического и рабочего циклов одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

Горячие пары хладагента по трубопроводу нагнетаются компрессором в конденсатор, где у них при постоянном давлении p_ксначала снимается перегрев (процесс 2–2'), а затем начинается их конденсация при постоянных давленииp_ки температуреt_к. Завершается конденсация в точке 3'; при этом хладагент сбрасывает энергию в окружающую среду (атмосферному воздуху).

Жидкий хладагент переохлаждается в конденсаторе (процесс 3'–3) для гарантии полного отсутствия пузырьков пара перед регулирующим вентилем и увеличения полезной холодопроизводительности.

Далее жидкий хладагент поступает в терморегулирующий вентиль, где его давление снижается от высокого p_кдо низкогоp_о(изоэнтальпный процесс дросселирования 3–4); В конечной точке расширения устанавливается температураt_о, а часть жидкости превращается в пар. Полученная парожидкостная смесь направляется в испаритель, где жидкий хладагент кипит при постоянныхp_ои t_о(изобарный и одновременно изотермический процесс 4–1'), отнимая теплоту от охлаждаемого объекта (воздуха грузового помещения). Во избежание попадания жидкого хладагента в компрессор в испарителе производится некоторый их перегрев (процесс 1'–1). Перегретые пары хладагента отсасываются компрессором, и цикл повторяется.

Создавая в испарителе низкое давление, компрессор, таким образом, поддерживает непрерывное кипение хладагента в испарителе за счёт отвода теплоты от воздуха холодильной камеры. Чем ниже надо получить температуру в охлаждаемом объекте, тем ниже должно быть давление в испарителе.

Автоматизация работы испарителя

Одним из важных процессов управления холодильной машиной является автоматическое питание испарителя по перегреву пара и по уровню жидкости в испарителе. В качестве автоматического регулятора перегрева в основном применяют ТРВ с внутренним уравниванием давления р_о (см. рис. 3).

ТРВ установлен перед испарителем. В верхней части вентиля припаяна капиллярная трубка 7, соединяющая внутреннюю рабочую часть6вентиля с термобаллоном8. Верхняя силовая часть вентиля герметична. Термобаллон плотно прикреплён к всасывающему трубопроводу, соединяющему испаритель с компрессором. Термобаллон, капилляр и пространство над мембраной при изготовлении вентиля заполняют строго дозированным количеством хладона. От донышка мембраны5вниз идёт шток4с запорным клапаном3, который прижимается к седлу пружиной2с регулировочным винтом1.

Принцип действия ТРВ основан на сравнении температуры кипения хладагента в испарителе с температурой выходящих из него паров. Сравнение производится преобразованием воспринимаемой термобаллоном температуры паров t_св соответствующее давлениер_св силовой части прибора (см. рис. 3). Давление действует на мембрану сверху и стремится через шток открыть клапан3на большее проходное сечение. Такому перемещению клапана препятствует давление кипения хладона в испарителер_о,действующее на мембрану снизу, а также усилие пружиныFи давлениер_кна клапан.

Рисунок 3 – Схема терморегулирующего вентиля с внутренним уравниванием:

1 – регулировочный винт; 2 – пружина; 3 – запорный клапан; 4 – шток; 5 – донышко мембраны; 6 – силовая часть вентиля; 7 – капиллярная трубка; 8 – термобаллон

При правильном заполнении испарителя температура паров на выходе из него не должна превышать 4…7 °С. Для этого весь хладон, поданный через ТРВ в испаритель, должен выкипеть на участке от клапана3до точкиА. Здесь температура хладона не изменяется и составляетt_о. В последних витках испарителя от точкиАдо термобаллона хладон, продолжая воспринимать тепло от охлаждаемого помещения, перегревается до температурыt_сt_о. Температуру t_своспринимает термобаллон, и в силовой системе устанавливается давлениер_с. При равновесиир_с=р_о+ F+ р_кпроисходит допустимо полное заполнение испарителя хладоном, и холодильная машина работает в оптимальном режиме.

С понижением температуры в охлаждаемом помещении теплопритоки к испарителю уменьшаются. Кипение хладагента в точке Ане заканчивается, а продолжается до точкиБ. Путь парообразного хладагента до термобаллона сокращается, и перегрев паров уменьшается. Термобаллон воспринимает более низкую температуру t_с, и в силовой системе устанавливается меньшее значениер_с. Под действием пружины клапан перемещается вверх, уменьшая проходное сечение вентиля и тем самым подачу хладагента в испаритель.

При меньшем количестве хладагента кипение его в испарителе заканчивается раньше, и перегрев принимает значение, близкое к первоначальному. Перемещение клапана вверх происходит до установления нового равновесия между снизившимся давлением и уменьшившимся сжатием пружины, т. е. р_с=р_о+ F+ р_к. Перегрев паров в испарителе регулируют поджатием пружины2с помощью регулировочного винта1.

Термобаллон 8, капилляр7и мембрана5(см. рис. 3) являются основными элементами манометрических приборов-термостатов, поэтому на рисунке 1 связь между ТРВ и испарителем обозначена как термостат.

Автоматическое поддержание температурного режима в холодильной камере

Для установления необходимого температурного режима в холодильной камере и автоматического поддержания его в заданных пределах служит прессостат-терморегулятор, устройство которого показано на рисунке 4.

Прессостат устанавливают на всасывающем трубопроводе между испарителем и компрессором. Он состоит из поршня 1, жёстко связанного с ним штока2, пружины4, рукоятки5, двух электрических контактов: подвижного6и неподвижного7.

Поршень находится в колене 3, соединённом со всасывающим трубопроводом8. При давлении р_о, большем, чем сила закручивания пружины4, поршень находится в крайнем верхнем положении. При этом контакты6и7замкнуты. Компрессор включён и отсасывает пары хладона из испарителя. В процессе отсасывания паров давлениер_опонижается, становится меньше, чем сила закручивания пружины. Поршень с подвижным контактом перемещается в крайнее нижнее положение, компрессор выключается.

Вследствие продолжающегося кипения хладона в испарителе его удельный объём увеличивается, давление р_основа начнёт расти. Контакты6и7замкнутся, компрессор начнёт отсасывать пары хладона из испарителя. Цикл повторяется.

Рисунок 4 – Устройство прессостата:

1 – поршень; 2 – шток; 3 – колено; 4 – пружина; 5 – рукоятка;

6 – подвижный электрический контакт; 7 – неподвижный электрический контакт

Ход поршня ограничивается специальными упорами, которые могут регулироваться. Сила воздействия пружины на поршень регулируется рукояткой 5. При установке рукоятки в положение «холод» сила закручивания пружины уменьшается. Следовательно, в зоне испарителя установится меньшее давлениер_о, а значит, и пониженная температура кипения хладона.

В пункте «2 Построение и расчёт теоретического цикла фреоновой холодильной машины по заданным значениям опорных термодинамических параметров» необходимо:

– построить на прилагаемом к заданию бланке (lgp,i-диаграмма состояний Ф-12) теоретический цикл ХМ по заданным опорным точкам (пример 1);

– определить основные характеристики цикла (пример 2);

Построение холодильного цикла

Исходными данными для построения на диаграмме состояний фреона-12 теоретического цикла ХМ являются:

– давление хладона при всасывании в компрессор (t_о), МПа;

– давление хладона при нагнетании в конденсатор (t_к), МПа;

– температура всасывания перегретых паров хладона в компрессор (t₁), °С;

– температура переохлаждения жидкого хладона перед дросселированием, (t₃), °С.

Построение цикла (см. рис. 2) начинают с нанесения изобар p_о=constиp_к=const, которые соответствуют изотермамt_оиt_кв области кипения и конденсации соответственно. В местах пересечения изобарp_оиp_кс пограничными кривыми=0 и=1 определятся промежуточные точки (1', 2', 3' и 4') холодильного цикла. Точка (1') соответствует завершению процесса кипения хладона в испарителе, точки (2' и 3') – соответственно началу и завершению конденсации хладагента в конденсаторе, а точка (4') – началу частичного кипения жидкого хладона при дросселировании в ТРВ.

На пересечении изотермы t₁с изобаройp_ов области перегретого пара получают опорную точку (1) цикла, из которой проводят адиабатуs_1-2 до пересечения с изобаройp_к. Так получают опорную точку (2) цикла. Опорные точки (3 и 4) цикла находят на пересечении изобарp_киp_ос изоэнтальпой (перпендикуляром), проведённой из точки пересечения изотермыt₃с пограничной кривой= 0.

Пример 1

Построить теоретический цикл работы ХМ на диаграмме состояний фреона-12 в координатах lgp,iприменительно к варианту задания «00».

На бланке состояний фреона-12 (рисунок 5) проводят изобары p_о= = 0,1 МПа иp_к= 0,8 МПа. В области влажного пара эти изобары совпадают по направлению с изотермамиt_о= –30 °С иt_к= 32 °С. На пересеченииp_ос пограничной кривой= 1 получают промежуточную точку (1') холодильного цикла, в которой заканчивается изотермический процесс кипения хладона в испарителе приt_о= –30 °С. На пересечении p_кс пограничной кривой= 1 получают промежуточную точку (2') цикла, в которой начинается изотермический процесс конденсации хладона в конденсаторе приt_к= 32 °С, а на пересеченииp_кс пограничной кривой= 0 получают промежуточную точку (3') цикла, в которой заканчивается изотермический процесс конденсации хладона в конденсаторе приt_к= 32 °С.

Далее на пограничной кривой = 1 находят изотермуt₁, соответствующую заданной температуре всасывания хладона в компрессор (t₁= = –20 °С), и проводят её (штрихпунктирная параболическая линия за областью влажного пара) до пересечения с изобаройp_о. Место пересечения помечают опорной точкой (1) цикла.

Далее из точки (1) проводят кривую линию, соответствующую по направлению адиабате сжатия, до пересечения с изобарой p_к. Место пересечения помечают опорной точкой (2) цикла.

Затем на пограничной кривой = 0 находят изотермуt₃, соответствующую заданной температуре жидкого хладона перед дросселированием (t₃= 10 °С), и проводят через неё перпендикуляр, соответствующий изоэнтальпному процессу дросселирования жидкого хладона в ТРВ до пересечения с изобарамиp_оиp_к(в области жидкого хладона изоэнтальпа 3–4' совпадает по направлению с изотермой t₃= 10 °С). Места пересечения помечают соответственно опорными точками (3 и 4) цикла.

Полученная из опорных точек (1, 2, 3 и 4) фигура (см. рис. 5) представляет собой теоретический обратный цикл ХМ, соответствующий варианту задания «00».

Определение характеристик ходильного цикла

По диаграмме состояний (см. рис. 2, 5) определяют удельное теплосодержание хладагента (i₁,i₂,i₃,i₄) в опорных точках 1, 2, 3 и 4 холодильного цикла и основные показатели этого цикла:

– удельную массовую холодопроизводительность хладона, кДж/кг, которая соответствует удельному количеству теплоты, потреблённой хладоном в испарителе от охлаждаемой среды:

q_о = i₁ – i₄; (1)

– удельную работу, затрачиваемую компрессором на сжатие, кДж/кг:

l = i₂ – i₁; (2)

– удельную нагрузку на конденсатор, кДж/кг, которая соответствует количеству удельной теплоты, выделяемой хладоном в конденсаторе в окружающую среду:

q_к = i₂ – i₃ = q_о + l; (3)

Рисунок 5 – Теоретический цикл работы хладоновой холодильной машины по варианту задания «00» на диаграмме состояний хладона (фреон-12) в координатах lgp, i

– холодильный коэффициент теоретического цикла работы ХМ :

; (4)

– удельную объёмную холодопроизводительность хладона (q_v), кДж/м³, которая соответствует объёмному количеству теплоты, потреблённой хладоном в испарителе от охлаждаемой среды:

q_v = q_о /v₁, (5)

где v₁– удельный объём хладона в точке (1) цикла (см. рис. 2, 5).

Пример 2

Определить характеристики теоретического цикла работы ХМ применительно к варианту задания «00» (см. рис. 5).

Сначала проектируют опорные точки цикла на ось энтальпий и получают: i₁= 545 кДж/кг, i₂ = 583  кДж/кг, i_3,4 = 410 кДж/кг.

Затем по формулам (1–5) определяют показатели цикла: q_о = 545 – – 410 = 135 (кДж/кг);l = 583 – 545 = 38 (кДж/кг); q_к = 583 – 410 = = 173 (кДж/кг);= 135 : 38 = 3,55, q_v= 545 : 0,165 = 3300 (кДж/ м³).

Пункт «3 Расчёт холодопроизводительности машины» выполняют в следующей последовательности.

Сначала по формуле (6) определяют объём, описываемый поршнем (поршнями) компрессора (V_h), м³/ч (пример 3). Затем по формуле (7) рассчитывают коэффициент подачи компрессора (), доли ед. (пример 4); потом по формулам (10–11) – холодопроизводительность машины (Q_o) и теоретическую мощность, потребляемую компрессором на сжатие хладона, (N_т), кВт (пример 5).

Пример 3

Определить геометрический объём, описываемый поршнями компрессора применительно к варианту задания «00».

Геометрический объём, описываемый поршнями компрессора, можно определить, м³/ч:

, (6)

где D – диаметр цилиндра,D = 0,1 м;h– ход поршня,h= 0,1 м;n– частота вращения вала компрессора,n= 1000 об/мин;z – количество цилиндров, z = 1.

Тогда (м³/ч).

Пример 4

Определить коэффициент подачи компрессора применительно к варианту задания «00».

Коэффициент подачи компрессора определяют опытным путём или рассчитывают, доли ед.:

 = _п_v; (7)

где _п– коэффициент потерь от подогрева компрессора (формула 8), доли единицы;_v– коэффициент объёмных потерь (формула 9), доли ед.

; (8)

, (9)

где Т_о– абсолютная температура кипения хладона,Т_о= 273 – 30 =243 (К);Т_к– абсолютная температура конденсации хладона, Т_к= 273 + 32 = = 305 (К);p_о– давление кипения хладона, p_о= 0,10 (МПа);p_к– давление конденсации хладона,p_к= 0,80 МПа;p_о – потеря напора при всасывании хладона компрессором,p_о= 0,005 МПа;p_к– то же, при нагнетании хладона в конденсатор, p_к= 0,01 МПа;с– величина относительного вредного (мёртвого) пространства под крышкой поршня,с= 0,04 доли ед.

Величины p_о,p_к,с – конструктивные характеристики конкретного типа компрессора. Во всех вариантах индивидуальных заданий их принимают одинаковыми.

Тогда, в рассматриваемом примере:

_п= 243 : 305 = 0,80;

.

 = 0,80 0,67 = 0,54.

Пример 5

Определить холодопроизводительность машины и мощность, потребляемую компрессором на сжатие хладагента, применительно к варианту задания «00».

Под холодопроизводительностью машины понимают мощность компрессорного агрегата по передаче паров хладагента, которые приняли на себя теплоту из охлаждаемой среды, из испарителя в конденсатор для отвода этой теплоты в окружающую среду. Холодопроизводительность машины определяют, кВт, по формуле:

. (10)

Мощность, потребляемую компрессором на сжатие хладагента, находят как теоретическую по холодопроизводительности и холодильному коэффициенту машины, кВт, по формуле:

N_т = Q_o/,(11)

В рассматриваемом примере все величины, входящие в формулы (10 и 11), известны из предыдущих примеров.

Тогда: (кВт), аN_т = 23,3 : 3,55= 6,57 (кВт).