Некоммерческое акционерное общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Кафедра Промышленной теплоэнергетики

Лабораторная работа №4

по дисциплине: «ММ и ОТТПиУ»

Тема: «Газовая холодильная установка»

Специальность: 5В071700 – «Теплоэнергетика»

Выполнил: Жанабергенова Ф.А. Группа: ТЭу-14-1

Принял: асс. Акимбек Г.А.

__________ __________ «____»____________ 20___г.

(оценка) (подпись)

Алматы 2016

Содержание

1.1 Цель лабораторной работы ……………………………………..

1.2 Теоретическое введение…………………………………………

1.3 Алгоритм расчета газовой холодильной машины ……………..

1.4 Порядок выполнения работы ………………………………. ….

1.5 Обработка результатов……………………………………………

1.6 Оформление отчета……………………………………………….

1.7 Контрольные вопросы…………………………………………….

Список литературы……………………………………………………

1. Цель лабораторной работы

Изучение работы газовой холодильной машины (ГХМ). Расчет параметров ГХМ.

2. Теоретическое введение

Области применения трансформаторов теплоты широки и разно­образны. Холодильные установки, в которых осуществляется охлаждение объектов до температур Т_Н в интервале 293-120К, используют в пищевой промышленности, сельском хозяйстве и торговле для хранения и транспорта продукции; в системах кондиционирования воздуха производственных и бытовых помещений для обеспечения комфортных условий для людей и технологического оборудования; в медицинской, биологической и фармацевтической отраслях промышленности при производстве и хранении биологических продуктов, а также при изготовлении препаратов, содержащих летучие вещества; в химической промышленности при производстве искусственного волокна и пластмасс; в горной промышленности и строительстве при сооружении плотин, подземных сооружений и туннелей, для замораживания водоносных грунтов и плывунов; для создания искусственных ледяных катков.

Компрессионные холодильные установки имеют ряд ограничении по применению. Так, интервал температур и давлений в них строго ограничен, и при некоторых температурах, особенно к криогенной области, не существует хладагентов в жидком состоянии либо они по термодинамическим свойствам не могут быть использованы в качестве хладагентов. Поэтому при низких (220-120 К) и криогенных (120-4 К), температурах, а в ряде случаев и в диапазоне 290-220К в качестве рабочих тел применяют газы при температурах выше критической. В области температур выше 120К для этих целей чаще всего используют воздух и установки называют воздушными. Рассмотрим газовые холодильные компрессионные установки.

Использование углекислого газа в качестве хладагента упрощает эксплуатацию установок, а в ряде случаев их массовые показатели, особенно удельные, отнесенные к единице холодильной мощности, лучше, чем паровых. Последнее достоинство, в частности, делает холодильные установки предпочтительными в системах промышленного и транспортного кондиционирования. Однако термодинамические показатели газовых холодильных машин ниже, чем паровых. Поэтому при выборе установки следует проводить технико-экономический анализ.

Схема простейшей газовой установки и ее цикл в Т, S – диаграмме показана на рис. 1. Из-за больших расходов в них используют преимущественно турбокомпрессоры. Хладагент (углекислый газ) в состоянии, характеризуемом точкой 1, поступает в турбокомпрессор ТК. Далее он охлаждается в охладителе (в идеальном случае до температуры окружающей среды) и поступает в расширительное устройство – детандер, где охлаждается с совершением внешней работы. В зависимости от параметров установки (температуры, расхода, размеров машины и частоты вращения ротора) работа детандера может быть использована частично для привода компрессора либо отдана специальному тормозному устройству. Охлаждаемый в детандере (чаще всего в турбодетандере) газ поступает в теплообменник нагрузки ТН, где к нему подводится теплота от охлаждаемого объекта, и в состоянии, характеризуемом точкой 5 (в большинстве случаев совпадающем с точкой 1), поступает в турбокомпрессор. Штриховая линия связи 1-5 показывает, что воздух после теплообменника нагрузки может быть и не возвращен в компрессор (например, в транспортных установках).

Холодильный коэффициент цикла такой установки 1-2-3-4 может быть представлен в виде функции отношения характерных температур. Действительно, выражая:

г = q₀ / (lк - lдет), (1)

где

б)

т

q₀ = Сp (T₁ – T₄) (2)

l_к = Cp (T₂ – T₁) (3)

l_дет=Cp (Т₃-Т₄) (4)

получаем:

_г=Ср (Т₁-Т₄)/Ср (Т₂-Т₁) – Ср (Т₃-Т₄) (5)

Считаем, что удельная теплоемкость не зависит от давления и температуры, а также принимаем, что:

Т₂ / Т₁ = Т₃ /Т₄; Т₂ / Т₃ = Т₁ / Т₄; Т₂ / Т_{3 – 1} = Т₁ / Т₄–1

Тогда

_ГХМ = 1 / (Т₂ / Т₁ – 1) (6)

Цикл воздушной машины 1-2-3-4 может быть сопоставлен с циклом паровой холодильной машины 1-2-3-4 (рис. 1, б), работающей в интервале температур Т_ос – Т₃ и Т_о – Т₁.

В этих условиях паровая машина характеризуется холодильным коэффициентом:

_п = q₀ / l = T₁ / (T_ос – Т₁) = 1 / (Т_ос / Т_{1 – 1}) (7)

Очевидно, что _г < _п, так как в газовом цикле всегда значение температуры Т_ос ниже значения Т₂. Аналогично можно показать, что и КПД газовой холодильной машины всегда меньше, чем паровой. Объяснить это можно необратимостью процессов теплообмена 2-3 и 4-1, протекающих при конечных разностях температур. Для использования потока газа, выходящего из теплообменника нагрузки с температурой Т₁ < Т_ос, применяют схему с регенерацией, показанную на рис.2. В отличие от схемы на рис.1 она включает в себя регенеративный теплообменник Р.

Можно показать, что для циклов, составленных из идеальных процессов, при равной холодильной мощности q₀ = Ср (Т₁ – Т₄) значение холодильных коэффициентов простого г и регенеративного _г.р. циклов равны. Действительно, _г.р. запишется как:

_г.р = q₀ / l_к – l_д = (Ср (Т₁ – Т₄) )/ (Ср (Т₂ - Т₁) – Ср (Т₃- Т₄)) (8)

Исходя из того, что Т₂ = Т₂, Т₁ = Т₃ и Т₃ = Т₁, и сокращая удельную теплоемкость, принятую, как и ранее, постоянной, получаем:

_г.р = (Т₁ – Т₄) / ((Т₂ – Т₁) – (Т₃ – Т₄)) = 1 / (Т₂ / Т_{1- 1}) (9)

т.е. _г = _г.р. Преимущество регенеративного цикла в этом случае определяется лишь меньшим отношением давлений в цикле для достижения той же температуры Т₄ и холодильной мощности q₀, что может привести к техническому упрощению машин (снижению утечек, уменьшению массы и т.д.).

Если же рассмотреть действительные процессы с учетом потерь, то при сопоставлении процессов расширения в детандере в простом и регенеративном циклах, обнаруживается преимущества цикла с регенерацией, так как потери в процессе 3-4 этого цикла значительно больше, даже при одинаковых КПД машины. Аналогичные рассуждения в отношении к компрессору и процессам теплообмена показывают, что КПД действительного регенеративного цикла выше, чем простого. Поэтому на практике в действующих воздушных холодильных установках применяют в основном регенеративные циклы.

Газовые холодильные машины широко используют в транспортном кондиционировании, при обработке металлов и материалов, а также при хранении и обработке пищевых и биопродуктов, где они обеспечивают диапазон необходимых температур от 270 до 80 К и холодильных мощностей от сотен ватт до нескольких тысяч кВт. Среди различных вариантов подобных машин широкое распространение получило воздушное турбохолодильная машина ТХМ-300, разработанная под руководством В. С. Мартыновского, С. К. Туманского и М. Г. Дубинского. На рис.3 представлена сх. турбохолодильной машины ТХМ-300 с изображением процессов в ее агрегатах на Т,S – диаграмме. Воздух из атмосферы через клапан 5 поступает в ранее охлажденный регенератор 3. Водяные пары, содержащиеся в газе, конденсируясь, оседают на насадке из гофрированной алюминиевой ленты (процесс 0-1). Охлажденный и осушенный газ с температурой около 193К направляется через холодный клапан 6 в холодильную камеру 4, где нагревается вследствие теплообмена с охлаждаемыми объектами (процесс 1-2). Далее воздух расширяется в турбодетандере 1 до давления 0,05МПа, температура его понижается до 190К (процесс 2-3).

Механическая энергия от турбины передается компрессору 2. Затем воздух направляется во второй регенератор, охлаждает его насадку, нагревается в атмосферу.

Оригинальная схема этой установки позволяет отказаться от охлаждения и очистки воздуха после компрессора; она не требует охлаждающей воды, что позволяет эксплуатировать ее в районах и условиях с дефицитом воды. Газ перед холодильной камерой проходит только через регенератор, в результате полностью исключается попадание масла в холодильную камеру – это особенно важно при использовании установки для обработки и хранения различных стерильных материалов.

Работа установки при давлениях ниже атмосферного позволяет увеличить размеры проточной части машин, что даже при сравнительных малых массовых расходах определяет высокие значения КПД турбины и компрессора. При расходе воздуха 1 кг/с установка потребляет 75 кВт мощности и обеспечивает холодильную мощность 100 тыс. кДж/ч. температура входа газа, подаваемого в камеру, составляет 193К.