Теплотехника. Лабораторный практикум для обучающихся по направлению подготовки «Агроинженерия»
.pdfЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Основными эксплуатационными характеристиками холодильной установки являются холодопроизводительность Q, потребляемая мощность N, расход холодильного агента G и удельная холодопроизводительность q. Холодопроизводительность определяется по формуле, кВт:
Q = Gq = G(h1 – h4), |
(9.7) |
где G – расход холодильного агента, кг/с;h1 – энтальпия пара на выходе из испарителя, кДж/кг; h4 – энтальпия жидкого холодильного агента перед дросселем, кДж/кг; q = h1 – h4 – удельная холодопроизводительность, кДж/кг.
Используется также и удельная объемная холодопроизводи-
тельность, кДж/м3: |
|
qv = q/v1 = (h1 – h4)/v1. |
(9.8) |
Здесь v1 – удельный объем пара на выходе из испарителя, |
|
м3/кг. |
|
Расход холодильного агента находится по формуле, кг/с: |
|
G = QК/( h2Д – h4), |
(9.9) |
где QК – тепловая нагрузка конденсатора, кВт: |
|
Q = c’pmVВ(tВ2 – tВ1). |
(9.10) |
Здесь VВ = 0,61 м3/с – производительность вентилятора, охлаждающего конденсатор; tВ1, tВ2 – температуры воздуха на входе и выходе из конденсатора, ºС; c’pm – средняя объемная изобарная
теплоемкость воздуха, кДж/(м3·К): |
|
c’pm = (μcpm)/(μv0), |
(9.11) |
где (μv0) = 22,4 м3/кмоль – объем кило моля воздуха при нормальных физических условиях; (μcpm) – средняя изобарная мольная теплоемкость воздуха, которая определяется по эмпирической
формуле, кДж/(кмоль·К): |
|
(μcpm) = 29,1 + 5,6·10-4(tВ1 + tВ2). |
(9.12) |
Теоретическая мощность адиабатного сжатия паров холодиль- |
|
ного агента в процессе 1-2А, кВт: |
|
NА = G/( h2А – h1), |
(9.13) |
Относительные адиабатная и действительная холодопроизво- |
|
дительности: |
|
kА = Q/NА; |
(9.14) |
k = Q/N, |
(9.15) |
представляющие собой теплоту, передаваемую от холодного источника к горячему, на единицу теоретической мощности (адиа-
71
батной) и действительной (электрической мощности привода компрессора). Холодильный коэффициент имеет тот же физический смысл и определяется по формуле:
ε = (h1 – h4)/(h2Д – h1). |
(9.16) |
2. ИСПЫТАНИЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
После запуска холодильной установки необходимо дождаться установления стационарного режима (t1 = const, t2Д = const), после чего измерить все показания приборов и занести в таблицу замеров 9.2, по результатам которой построить цикл холодильной установки в ph- и ts-координатах с помощью паровой диаграммы для фреона-12, изображенной на рисунке 9.2. Расчет основных характеристик холодильной установки выполняется в таблице 9.3. Температуры испарения t0 и конденсации tК находят в зависимости от давлений p0 и pК по таблице 9.3. Абсолютные давления p0 и pК
определяют по формулам, бар: |
|
p0 = B/750 + 0,981p0М, |
(9.17) |
pК = B/750 + 0,981pКМ, |
(9.18) |
где В – атмосферное давление по барометру, мм.рт. ст.; p0М – избыточное давление испарения по манометру, ати; pКМ – избыточное давление конденсации по манометру, атм.
Таблица 9.2 – Результаты замеров
№
п/п 
1 2
3
4
5
6
7
Величина
Давление испарения, p0М
Давление конденсации, pКМ
Температура в холодильной камере , tХК
Температура паров хладагента перед компрессором, t1 Температура паров хладагента после компрессора, t2Д Температура конденсата после конденсатора, t4 Температура воздуха после конденсатора, tВ2
Размер- |
Зна- |
Примечание |
|
ность |
чение |
||
|
|||
кГс/см2 |
|
По манометру |
|
кГс/см2 |
|
По манометру |
|
оС |
|
По термопаре 1 |
|
оС |
|
По термопаре 3 |
|
оС |
|
По термопаре 4 |
|
оС |
|
По термопаре 5 |
|
оС |
|
По термопаре 6 |
72
8
Температура воздуха перед конденсатором, tВ1
9
Мощность привода компрессора, N
10Давление испарения, p0
11Температура испарения, t0
12Давление конденсации, pК
13Температура конденсации, tК
Энтальпия паров хладагента
14перед компрессором, h1 = f(p0, t1)
Энтальпия паров хладагента
15после компрессора, h2Д = f(pК, t2Д)
16
Энтальпия паров хладагента после адиабатного сжатия, h2А
17
Энтальпия конденсата после конденсатора, h4 = f( t4)
18
Удельный объем пара перед компрессором, v1=f(p0, t1)
19
Расход воздуха через конденсатор VВ
оС
кВт
бар
оС
бар
оС
кДж/кг
кДж/кг
кДж/кг
кДж/кг
м3/кг
м3/с
По термопаре 7
По ваттметру
По формуле (3.1)
По табл. (3.3)
По формуле (3.2)
По табл. 3.3
По ph- диаграмме
По ph- диаграмме
По ph-
диаграмме
По ph-
диаграмме
По ph- диаграмме
По паспорту Вентилятора
Таблица 9.3 – Расчет основных характеристик холодильной установки
№ |
Величина |
|
п/п |
|
|
1 |
Средняя |
мольная |
|
теплоемкость воз- |
|
|
духа, ( сpm) |
|
2 |
Объемная |
тепло- |
|
емкость |
воздуха, |
3 |
с pm |
|
Тепловая нагрузка |
||
Размерность
кДж/ ( кмоль К)
кДж/ ( м3 К)
кВт
Формула
Значение
29,1+5,6 10-4(tВ1+tВ2)
( сpm) / 22,4
c pmVВ(tВ2– tВ1)
73
|
конденсатора, QК |
|
|
|
4 |
Расход холодиль- |
кг/с |
QК / (h2Д– h4) |
|
|
ного агента, G |
|
|
|
5 |
Удельная |
холодо- |
кДж/кг |
h1 – h4 |
|
производитель- |
|
|
|
|
ность, q |
|
|
|
6 |
Холодопроизво- |
кВт |
Gq |
|
|
дительность, Q |
|
||
7 |
Удельная |
объем- |
кДж/м3 |
Q/v1 |
|
ная холодопроиз- |
|
|
|
|
водительность, qV |
|
|
|
8 |
Адиабатическая |
кВт |
G(h2А – h1) |
|
|
мощность, Na |
|
|
|
9 |
Относительная |
– |
Q / NА |
|
|
адиабатическая |
|
|
|
|
холодопроизводи- |
|
|
|
|
тельность, КА |
|
|
|
10 |
Относительная |
– |
Q / N |
|
|
реальная |
холодо- |
|
|
|
производитель- |
|
|
|
|
ность, К |
|
|
|
11 |
Холодильный |
– |
q/(h2Д – h1) |
|
|
коэффициент, |
|
|
|
Таблица 9.3 – Давления насыщения фреона-12 (CF2Cl2 – дифтордихлорметана)
tн, oC |
pн, бар |
tн, |
бар |
tн, |
pн, |
tн,o |
pн, |
|
|
|
|
|
|
|
бар |
-30 |
1,014 |
- |
2,219 |
10 |
4,285 |
30 |
7,529 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
-28 |
1,108 |
-8 |
2,377 |
12 |
4,550 |
32 |
7,931 |
-26 |
1,202 |
-6 |
2,550 |
14 |
4,831 |
34 |
8,344 |
74
-24 |
1,302 |
-4 |
2,734 |
16 |
5,123 |
36 |
8,771 |
-22 |
1,412 |
-2 |
2,926 |
18 |
5,428 |
38 |
9,217 |
-20 |
1,527 |
0 |
3,125 |
20 |
5,739 |
40 |
9,687 |
-18 |
1,649 |
2 |
3,330 |
22 |
6,065 |
42 |
10,17 |
-16 |
1,779 |
4 |
3,555 |
24 |
6,408 |
44 |
10,67 |
-14 |
1,919 |
6 |
3,788 |
26 |
6,765 |
46 |
11,18 |
-12 |
2,067 |
8 |
4,031 |
28 |
7,140 |
48 |
11,72 |
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ:
1.Схема и описание холодильной установки.
2.Таблицы замеров и расчетов.
3.Выполненное задание.
Лабораторная работа № 10
Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СОЛНЕЧНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА
Цель занятия: Определение зависимостей солнечного элемента от силы освещения.
План занятий:
1.Изобразить графические характеристики U-Iдля напряжения имитатора солнечной энергии (лампы) в 160V, 80V и 220V в соответствующей системе координат.
2.Показать характеристики мощности для 5 разных освещений и отметить точки максимальной мощности.
3.Изобразить в системе координат зависимость напряжения или тока солнечного элемента от измеренной силы освещения (характеристики I = f (E) или U = f
4.Оценить результаты с теоретическими показателями.
Используемое электротехническое оборудование:
Солнечный элемент (СЭ), свинцово-кислотный аккумулятор (АКБ), имитатор солнечной энергии Nr (лампа), люксметр, электроизмерительные приборы
75
СЭ |
АКБ |
Nr |
Рис. 10.1- Электротехническое оборудование |
||
Таблица 10.1 – Техническая характеристика фотомодуля |
||
Наименование |
|
Характеристика |
Размеры модуля |
|
1200 х 540 х 30 мм мм |
Вес |
|
8 кг |
Фронтальное стекло |
|
Калёное просветленное стекло |
|
|
3,2 мм |
Рама |
|
Анодированный алюминий |
Клеммная коробка |
|
IP 65 |
Количество диодов |
|
2 |
Ветровая нагрузка |
|
5400 Па |
Пиковая электрическая |
мощность |
100 Вт |
(Pmax) |
|
|
Номинальное напряжение (Unom) |
12 В |
|
Напряжение в точке максимальной |
19.3 В |
|
мощности (Ump) |
|
|
Ток в точке максимальной мощности |
5.18 А |
|
(Imp) |
|
|
Ток короткого замыкания (Isc) |
5.56 А |
|
Напряжение холостого хода (Uoc) |
22.9 В |
|
КПД элемента ФЭМ |
|
17.65 % |
Практический КПД модуля |
|
15.43 % |
Общие сведения
Солнечный элемент(СЭ) и свинцово-кислотный аккумулятор (АКБ) являются оба электрическими составляющими источника напряжения (рисунки 10.2 и 10.3). Оба имеют нисходящую в первом квадранте характеристику (система координатU-I), хотя у свинцового аккумулятора она линейна, а у солнечного элемента – совсем нелинейна (похожа на параболу). Эффективная мощность аккумулятора повышается с повышением температуры, а у солнечного элемента – понижается!
76
На рисунке 10.4 показаны схемы подключения аккумулятора и солнечного элемента. Мощность солнечного элемента сильно зависит от силы освещения. Максимальная мощность аккумулятора
– 0,5· UL, а у солнечного элемента 0,5· IK в зависимости от коэффициента уплотнения возможно значительно выше. Солнечный элемент не несёт потери в спокойном состоянии или при холостом ходе.
Ток короткого замыкания у аккумулятора есть увеличенный во много раз номинальный ток, у солнечного элемента они приблизительно равны.
аккумулятора солнечного элемента
Рис. 10.2 Характеристики силы тока и напряжения I-U
аккумулятора |
солнечного элемента |
Рисунок 10.3– Характеристики мощности и напряжения P-U
аккумулятора |
солнечного элемента |
Рис. 10.4 Схемы соединений аккумулятора и солнечного элемента
77
Вид электрической схемы позволяет подстроиться под требования системы, при этом последовательное соединение солнечных элементов увеличивает напряжение энергоисточника, а параллельное – ток.
Напряжение зависит от силы освещения (Е,lux) и частоты испускаемого электромагнитного излучения, температуры элемента
(ок. -0,4%/K).
Ток зависит от силы освещения (Е,lux) и частоты испускаемогоэлектромагнитного излучения, температуры элемента (ок.+0,07%/K), поверхности СЭ, КПД элемента и соответствия с нагрузкой. Повышение температуры ведёт к снижению напряжения и тем самым к уменьшению мощности.
В соответствии с условием для выхода W Ph W g
электронов из кристаллической решётки полупроводникового материала действует следующее отношение для предельной длины волны монокристаллического кремния:
|
h c |
6,625 10 |
34VAs2 3 108 m / s |
нм |
||
Gr |
|
|
|
|
1127 |
|
|
|
|
||||
|
Wg |
|
1,1eV |
|
||
Солнечная радиация с длиной волны 2000нм не оказывает тем самым никакого влияния на энергетическое преобразование, поскольку энергия фотонов очень мала для выработки свободных носителей заряда.
Амперметр: теоретическое требование для внутреннего сопротивления: 0Ω; практическое требование: RMessgerätRLast , т. к. иначе потери напряжения в измерительном приборе увеличатся и нарушит результат измерения напряжения.
Вольтметр:теоретическое требование: ∞Ω; практическое требование: Rизм. приб.Rнагруз., чтобы ток в измерительном органе прибора оставался очень маленьким и не нарушил измерение тока (разделение тока).
На рисунках 10.5 и 10.6 теоретические характеристики солнечного элемента при различной освещенности.
78
Рисунок 10.5 – Характеристика U-Iсолнечного элемента
при U=220V, 160V и 80V
Рисунок 10.6 – Характеристика мощности солнечного элементаNr
при U=220V, 160V и 80V
Из характеристик (рисунок 10.7) уже очень отчётливо видна сильная зависимость тока от силы освещения, в то время как напряжение понижается только незначительно. Точно так же выходит зависимость имеющейся мощности солнечного элемента от степени освещённости.
Рис. 10.7 Зависимость тока короткого замыкания и напряжения холостого хода от силы освещения
Теоретические данные показывают, что ток короткого замыкания солнечного элемента находится в линейной зависимости от освещённости, а напряжение холостого хода имеет логарифмическую характеристику. Это означает, что уже при малой радиации
79
очень скоро возникает номинальное напряжение солнечного элемента, в то время как суммарный ток – только при максимальной освещённости (STC).
Порядок выполнения работы
Определения зависимостей солнечного элемента от силы освещенности
1. Снимите значенияU-I для напряжения имитатора энергии
Nrв 180V, 140V, 120V, 100V, 80V и занесите в таблицу 10.2;
Таблица 10.2 – Характеристика солнечного элемента в зависимости от силы освещения
№ п/п |
Uсети (лампа) |
E |
UL СЭ |
IK СЭ |
PMPP |
|
[V] |
[lux] |
[V] |
[mA] |
[mW] |
1 |
80 |
|
|
|
|
2 |
100 |
|
|
|
|
3120
4140
5 160
6 180
7220
2.Пополученным значениям, на основании теоретических данных, изобразите графические характеристики U-I для напряжения Nrв соответствующей системе координат (при определении масштаба обратите внимание на пункт 3).
3.Перенесите характеристику U-I для напряжения имитатора энергии в 220V.
4.Кроме этого, изобразите характеристики мощности для пяти разных освещений и отметьте точки максимальной мощности. Что позволяет говорить о зависимости мощности солнечного элемента от силы освещения?
80