24

Лабораторна робота № 1 Дослідження головних елементів парової компресійної холодильної машини

1. Мета роботи - поглиблення знань з теорії термодинамічних циклів холодильних машин і знайомство в лабораторних умовах із принципом дії і характеристиками основних елементів холодильних машин.

У результаті повинне бути засвоєне наступне.

1. Термодинамічні основи циклів холодильних машин.

2. Принципова схема одноступінчатої компресорної холодильної машини. Основні елементи схеми і фізичні процеси, що відбуваються у них.

3. Побудова циклів холодильних машин у Т-S - і lg P-i – діаграмах.

4. Характеристики циклу холодильної машини.

Л і т е р а т у р а. (l. c.18-26, 46-56; 2, с.31-41).

Завдання

1.Ознайомитися в лабораторних умовах із принципом дії і характеристиками основних елементів холодильної машини.

2. Побудувати в lg P-i - діаграмі цикл холодильної машини.

3. Визначити параметри вузлових точок циклу.

4.Розрахувати ступінь термодинамічної досконалості циклу.

2. Загальні відомості

Штучне охолодження - це зниження температури тіла нижче температури навколишнього середовища. Для одержання штучного холоду може бути використаний будь-який фізичний процес, що протікає з поглинанням тепла. Найбільш ефективними є процеси, зв'язані зі зміною агрегатного стану тіла: кипінням, плавленням, сублімацією.

У холодильній техніці широко використовують легкокиплячі речовини (холодильні агенти) з низькими нормальними температурами кипіння (аміак, хладони). Рідкий агент переходить у пароподібний стан (кипить) при постійному тиску і відповідній цьому тиску постійній температурі. Тепло, необхідне для цього процесу, підводиться від охолоджуваного продукту, і витрачається на подолання сил молекулярного зчеплення і на роботу розширення. Охолодження обмеженою кількістю охолоджуючої речовини (агентом) можна здійснити, якщо повернути агент у початковий стан, тобто сконденсувати.

Машини, що здійснюють безперервний перенос тепла від холодних тіл до більш нагрітих за рахунок компенсації ззовні у вигляді роботи стиску в компресорі, і засновані на принципі фазового переходу рідина-пара (кипіння), називають паровими компресорними холодильними машинами.

Принцип їх роботи такий (рис.1.1). У випарнику IV рідкий холодильний агент кипить (процес 4-1) при температурі кипіння, що відповідає визначеному тиску. Тепловий потік, необхідний для його википання, агент одержує від охолоджуваного середовища (повітря, чи розсолу, які безпосередньо охолоджують харчові продукти). Пари, що утворилися у випарнику, надходять у компресор I , де стискуються (процес 1-2) від тискудо тиску, якому відповідає температура конденсації, вища, ніж температура проточної води чи повітря, за допомогою яких і протікає конденсація агента (процес 2-3) у конденсаторі II. Далі конденсат у стані 3 направляється в розширювальний циліндр (детандер) III, де адіабатично розширюється від тискудо тиску(процес 3-4), роблячи при цьому корисну роботу розширення. Далі цикл повторюється.

Рис. 1.1 – Схема і цикл парової компресорної холодильної машини.

Таким чином, для реалізації розглянутого холодильного циклу в схему необхідно включити компресор, конденсатор, розширювальний циліндр (детандер) і випарник. Ці елементи називають основними елементами холодильної машини. Як буде показано нижче, у схеми реальних холодильних машин, крім основних, включають і допоміжні елементи.

В ізотермічному процесі 4-1 до холодильного агента підводиться тепло від охолоджуваних продуктів, а в процесі 2-3 - виділяється тепло конденсаціїдо навколишнього середовища. Адіабатичний процес 1-2 стиску здійснюється в компресорі з витратою роботи, а розширення 3-4 - у розширювальному циліндрі з одержанням роботи. Різниця міжіеквівалентна роботі l, витраченій в холодильній машині на передачу тепла з нижчого на вищий температурний рівень.

Рівняння теплового балансу холодильної машини

. (1.1)

Економічність холодильного циклу оцінюють величиною холодильного коефіцієнта , що являє собою відношення отриманої холодопродуктивності до витраченої роботи:

. (1.2)

Слід зазначити, що цикл 1-2-3-4, здійснюваний у двофазній зоні стану холодильного агента, є оборотним зворотним циклом Карно. Як відомо, величина холодильного коефіцієнта цього циклу не залежить від властивостей робочого тіла, а залежить тільки від температури охолодження й температури конденсаціїза припущенням нескінченно малих перепадів температур у випарнику і конденсаторі:

(1.3)

Однак цикли реальних холодильних машин істотно відрізняються від циклу Карно (рис. 1.2). Стиск 1-2 протікає в зоні перегрітої пари ("сухий хід" компресора). Такий стиск теоретично не підвищує ефективності холодильної машини в порівнянні з "вологим ходом" у циклі Карно, але практично вигідний, тому що виключає можливість аварії від гідравлічного удару в циліндрі, що може відбутися при попаданні рідкого агента в циліндр. Крім того, ізобарний процес у конденсаторі 2-в-3 істотно відмінний від ізотермічного.

Іншим істотним відхиленням реальної холодильної машини є заміна складного за конструкцією детандера більш простим пристроєм - дросельним (регулюючим) вентилем. При цьому адіабатичне розширення в детандері 3-5 (S=соnst) заміняється процесом дроселювання 3-4 ( i = idem ), що приводить до зменшення питомої холодопродуктивності наі зниження холодильного коефіцієнта циклу.

Розраховувати характеристики циклів холодильних машин зручно за допомогою lg P—i - діаграми відповідного агента. Оскільки в ній ізобари ізображуються горизонтальними лініями, а процес дроселювання - вертикальною лінією, цикл реальної холодильної машини виглядає на ній дуже просто 1-2-3-4-5-а (рис. 1.3).

Тепло, що одержав у випарнику агент, віднесене до одного кілограма агента, називають питомою масовою холодопродуктивністю:

кДж/кг. (1.4)

У хладоновых холодильних машинах перегрівання пари після випарника а-1 і переохолодження рідини перед дросельним вентилем 3-4 здійснюються в регенеративному теплообміннику (РТО). Тут рідкий холодильний агент, який надходить із конденсатора (т.3), переохолоджується холодними парами, що надходять з випарника (т.а) у компресор. Регенеративний теплообмін підвищує питому масову холодопродуктивність і забезпечує "сухий хід" компресора. При цьому кількість тепла, що відведена від рідкого агента, дорівнює теплу, яке підведене до пари (тобто має місце тепловий баланс у РТО):

Рис. 1.2 – Схема та реальні цикли холодильної машини.

Рис. 1.3 – Схема та цикли регенеративної парової холодильної машини:

1-2 - стиск у компресорі; 2-3 – охолодження пари до температури Т_К і, власне, конденсація; 3-4 - переохолодження рідини в РТО; 4-5 - дроселювання; 5-а - кипіння агента у випарнику; а-1 - перегрівання пари в РТО.

, кДж/кг (1.5)

Питома робота стиску в компресорі, необхідна для здійснення холодильного циклу,

, кДж/кг (1.6)

Ступінь термодинамічної досконалості циклу:

де  і розраховуються за формулами (1.2) і (1.3).