Теоретические основы теплотехники

Литература

1.Есьман Р. И. и др. Термодинамика, теплопередача и двигатели внутреннего сгорания. – Мн.: Выш. школа, 1985.

2.Хрусталев Б. М., Несенчук А. П., Романюк В. Н. Техническая термодинамика. В 2-х частях. –Мн.: УП Технопринт, 2004.

3.Щукин А. А., Сушкин И. Н., Бахмачевский Б. И., Зах Р. Г., Лызо Г. П. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973.

4.Баскаков А. П., Гуревич И. М., Решетин Н. И., Рысаков Н.Ф. Общая теплотехника. - М.: Госэнергоиздат,1963.

5.Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.: Высшая школа, 1980.

6.Дрыжаков Е. В., Исаев С. И., Корнейчук Н. К. и др. Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче. / Под ред. Б. Н. Юдаева. - М.: Высшая школа, 1968.

7.Рабинович О. М. Сборник задач по технической термоди-намике. -М.: Машиностроение, 1973.

8.Есьман Р. И., Волкова Н. Е. Термодинамика и тепло-передача. Методическое пособие – Мн.: БПИ, 1980.

9.Есьман Р. И., Волкова Н. Е. Термодинамика и тепло-передача: методические указания и контрольные задания. –Мн.: БПИ, 1985.

317

8. «Методические указания и контрольные задания по разделу «Холодильные установки»

Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоэнергетического оборудования

Методические указания и контрольные задания по разделу «Холодильные установки»

Минск 2008

318

УДК 536.7:621.036

Автор: д.т.н., проф. Есьман Р.И.

Рецензент: д.т.н., проф. Карницкий Н.Б.

Методические указания предназначены для оказания помощи студентам для выполнения контрольных работ.

Излагаются основные положения термодинамики и холодильной техники, приводятся варианты контрольных работ. К данному разделу курса разработаны методические указания, способствующие более глубокому изучению и освоению материала.

319

Введение

Курс «Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоэнергетического оборудования» играет важную роль в формировании инженера-энергетика, работающего как на промышленных предприятиях, в энергетической отрасли, так и в других отраслях народного хозяйства.

Изучение раздела «Холодильная техника» студентами, обучающимися по специальности «Теплоэнергетика», является основой для более глубокого исследования современного теплоэнергетического и холодильного оборудования, встроенного в технологические процессы различных отраслей народного хозяйства, с целью максимальной экономии топливно-энергетических ресурсов, интенсификации и оптимизации современных энерготехнологических процессов.

1. Общие указания

При выполнении контрольных работ необходимо соблюдать следующие требования. Вначале должны быть четко выписаны исходные параметры, заданные по условию задачи и определена конечная цель расчета. Все вычисления необходимо проводить в развернутом виде. При использовании табличных значений величин (теплофизических характеристик, вспомогательных функций и коэффициентов), графических зависимостей и номограмм необходимо давать ссылки на источники, которые используются. Решение задач сопровождать кратким пояснительным текстом. Указывать, какая из величин определяется расчетным путем, либо выбирается из справочников учебных и учебно-вспомогательных пособий.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАЗДЕЛУ «ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ»

В настоящее время существует три вида холодильных установок:

-установки для умеренного охлаждения (до минус 1800С);

-установки для выработки глубокого холода (до минус 2700С);

-установки для достижения сверхнизких температур (ниже минус 2700С).

Установки для получения глубокого холода получили применение в экспериментальной технике (криогенные установки), а также широко используется для сжижения газов и

320

разделения газовых смесей. Современная техника позволяет получить температуры, отличающиеся от абсолютного нуля только на тысячные доли градуса.

Холодильные установки промышленного назначения можно разделить на три группы: компрессионные, пароэжекторные и абсорбционные.

Вкомпрессионных холодильных машинах для производства холода затрачивается механическая энергия, сообщаемая извне. Пароэжекторные и абсорбционные холодильные установки потребляют тепловую энергию и для осуществления обратного цикла затрачивается незначительная часть механической энергии.

Основным назначением холодильных машин является выработка искусственного холода или отвод тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду, имеющую более высокую температуру. При помощи холодильных установок можно понижать температуру различных объектов или в ограниченных объемах поддерживать более низкую температуру по сравнению с окружающей средой.

Роль холодильных машин в промышленности и народном хозяйстве в настоящее время весьма значительна. Холодильные установки не только стали неотъемлемым оборудованием пищевых предприятий, но и служат мощным средством для интенсификации процессов в различных отраслях техники.

Самыми распространенными и достигшими в конструктивном отношении высокой степени совершенства и экономичности являются паровые компрессионные холодильные машины. В паровых компрессионных холодильных установках в качестве рабочего тела (хладагента) используются жидкости с низкими температурами кипения (аммиак, хладоны и т.д.). Работа идеальной компрессионной паровой машины теоретически осуществляется по обратному циклу Карно.

Вданном учебном пособии изучается один из разделов дисциплины, посвященный расчету паровых компрессионных холодильных машин.

2.1. Обратный цикл Карно. Принцип работы холодильной машины состоит в следующем. Хладагент от охлаждаемого объекта при температуре Т0 отнимает теплоту q0 и передает ее внешней среде, которая имеет более высокую температуру. При этом рабочее вещество, циркулирующее в холодильной машине, совершает обратный круговой процесс – холодильный цикл. Для осуществления этого процесса затрачивается работа l , которая в виде теплоты воспринимается рабочим веществом и так же, как и теплота q 0, передается им во внешнюю среду – воде или наружному воздуху.

Общее количество теплоты, передаваемого во внешнюю среду, в соответствии с законом сохранения энергии составляет

q = q0+l

321

Эффективность работы холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом, который выражает отношение количества теплоты q0, удаляемой от охлаждаемого объекта, к затраченной работе l:

ε = ql0

Холодильный коэффициент численно выражает количество теплоты, отводимой от охлаждаемого тела при затрате единицы работы.

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно

εк = ql0 = Т Т−0Т0

не зависит от рода рабочего вещества (холодильного агента), а является лишь функцией абсолютных температур Т и Т0.

Холодильный коэффициент цикла Карно имеет наибольшее значение по сравнению с другими циклами холодильных машин. Цикл Карно требует минимальной затраты работы и является идеальным обратимым циклом. Действительные циклы, совершаемые в холодильных машинах, в той или иной степени необратимы и требуют больших энергетических затрат.

Обратимый обратный цикл Карно состоит из 2-х адиабатных и 2-х изотермических процессов (рисунок 1).

Рисунок 1 – Обратный цикл Карно На рисунке 1 изображен обратный обратимый цикл Карно, определяемый контуром 1-2-3-

4-1. Цикл включает следующие процессы: 1-2 – адиабатное сжатие хладагента в

322

компрессоре, совершаемое с затратой работы l; -23 – изотермической процесс конденсации хладагента с отдачей теплоты q= q0+l, измеряемой площадью а -2-3-b-а, источнику теплоты высокой температуры Т>Т0; 3-4 – адиабатное расширение хладагента с понижением температуры от Т до Т0; 4-1 – изотермический процесс испарения (кипения), при этом хладагент отнимает от объекта охлаждения при температуре Т0 теплоту qо, измеряемую площадью 1-а-b-4-1. В холодильной технике величина q0 называется удельной холодопроизводительностью и представляет количество теплоты, которое поглощает 1 кг хладагента в цикле холодильной машины.

Таким образом, в результате осуществления обратного цикла Карно теплота q0 от источника с низкой температурой Т0 переносится к источнику с высокой температурой Т, при этом затрачивается механическая работа l, равная разности работы сжатия и расширения, эквивалентная площади 1-2-3-4-1. В таблице 1 представлена зависимость холодильного коэффициента обратного цикла Карно от термодинамических температур Т, Т0. (Таблица 1)

2.2. Циклы компрессионных холодильных машин. Рабочее вещество – хладагент непрерывно циркулирует в холодильной машине и совершает в ней круговой процесс, который сопровождается отнятием теплоты от охлаждаемых объектов и переносом ее во внешнюю среду. Хладагенты обладают свойством кипеть при низких температурах. К ним относятся: аммиак, хладоны, углекислоты и др. вещества. В таблице 2 приведены параметры некоторых хладагентов, используемых в паровых холодильных компрессионных машинах.

323

Для расчета теоретического рабочего цикла паровой холодильной компрессионной машины необходимо знать следующие температуры: кипения холодильного агента в испарителе t0, конденсации t и переохлаждения жидкости перед регулирующим вентилем tп. Эти температуры устанавливают в зависимости от температуры охлаждаемого помещения и температуры внешней среды (охлаждающей воды или воздуха).

Температура кипения to при непосредственном охлаждении холодильным агентом бывает на 8-100С ниже температуры воздуха охлаждаемых камер. При охлаждении промежуточным теплоносителем (рассолом) температура to должна быть на 5 -70С ниже

324

температуры воздуха камер. Температура конденсации t должна быть на 8 -100С выше температуры воды, поступающей на конденсатор, температура переохлаждения tп на 3-40С выше температуры поступающей воды.

Наметив основные температуры, можно построить теоретический цикл и рассчитать его, определить теоретическую холодопроизводительность 1 кг холодильного агента, затрату работы в компрессоре и другие связанные с ними величины.

Рисунок 2 – Схема холодильной компрессионной машины

На рисунке 2 представлена схема паровой холодильной компрессионной машины. Необходимо обратить внимание на процесс переохлаждения, осуществляемый в специальном аппарате – переохладителе. В результате переохлаждения содержание теплоты в жидком хладагенте уменьшается, что соответствует увеличению холодопроизводительности, т.к. снижается бесполезное парообразование в процессе дросселирования.

325