6. Парокомпрессионный холодильный цикл. Приближение к реальным условиям

В идеальном цикле хладагент выходит из испарителя в виде насыщенного пара. На практике невозможно точно контролировать состояние хладагента на выходе из испарителя. Вместо этого проще разработать такую конструкцию, чтобы хладагент на входе в компрессор был слегка перегретым.

Аналогичные процессы могут происходить и в конденсаторе. В реальном устройстве конденсация хладагента может завершиться раньше, чем он покинет конденсатор. Если конденсатор обдувается потоком воздуха, то жидкий хладагент продолжит охлаждаться и его температура станет ниже температуры конденсации.

Элементы холодильника расположены на некотором расстоянии друг от друга, поэтому при движении хладагента по магистралям также может изменяться его температура за счет теплообмена с окружающей средой.

T

Рис. 11. Парокомпрессионный холодильный цикл. Приближение к реальным условиям.

-s и p-h диаграммы холодильного цикла с учетом этих процессов приведены на рис. 11. На участке 2-3 происходит нагрев хладагента в газообразном состоянии; участок 6-7 соответствует охлаждению конденсированного хладагента.

7. Парокомпрессионный холодильный цикл. Влияние необратимых процессов.

Кроме отличий, перечисленных предыдущем разделе, реальный парокомпрессионный цикл отличается от идеального влиянием необратимых процессов, таких как вязкое трение и теплообмен с окружающей средой при конечной разнице температур.

Длина магистралей, по которым протекает хладагент, достаточно велика. Из-за действия сил вязкого трения возникает перепад давления в испарителе и конденсаторе, Поэтому испарение (участок 1-2) и конденсация хладагента (участок 5-6) происходят не при постоянной температуре (см. рис.12).

В

Рис. 12. Реальный парокомпрессионный холодильный цикл.

идеальном цикле процесс сжатия пара в компрессоре является адиабатическим и обратимым, поэтому энтропия пара остается постоянной (участок 3-4). На процесс в реальном компрессоре оказывают влияние силы трения, которые увеличивают энтропию, а также теплообмен, который в зависимости от ситуации может либо уменьшать, либо увеличивать энтропию. Поэтому в реальном компрессоре энтропия может как возрастать, так и убывать (участки 3-4”, 3-4’).

3. Описание экспериментальной установки

Установка состоит из следующих основных узлов: мотор-компрессора (компрессор с приводом от электродвигателя в одном корпусе), конденсатора, испарителя, дроссельного устройства (капиллярная трубка), системы трубопроводов (магистрали), системы управления и сбора данных, стенда, ПЭВМ. Схема установки приведена на рисунке 13.

Магистрали установки заполнены фреоном R22 (монофтордихлорметан). С помощью компрессора фреон прокачивается через магистрали в направлении, указанном стрелками.

Испаритель – это теплообменный аппарат, состоящий из змеевика с приваренными ребрами для жесткости и увеличения поверхности теплоотдачи. Жидкий фреон, попав в зону с низким давлением, испаряется, отнимая тепло от среды, окружающей испаритель.

После испарителя газообразный фреон поступает в компрессор. Сжатый газообразный фреон поступает в конденсатор, где происходит охлаждение фреона и его конденсация. Конденсатор имеет конструкцию аналогичную испарителю. Теплообмен с окружающей средой осуществляется конвективным путем. Для увеличения интенсивности охлаждения конденсатор обдувается потоком воздуха.

После конденсатора установлен фильтр, который служит для очистки фреона от воды и других примесей.

Затем фреон проходит через дроссель – устройство, создающее значительное гидродинамическое сопротивление. В данной установке дроссель изготовлен в виде тонкой длинной трубки. Дроссель разделяет зоны с высоким и низким давлением. Перепад давления на дросселе определяет расход фреона в установке.

После дросселя фреон поступает в испаритель, цикл повторяется снова.

В данной лабораторной работе установка по изучению теплового насоса реализована на базе бытового оконного кондиционера LG W05LC. Кондиционер помещен в прозрачный корпус, вентиляционные отверстия закрыты защитными решетками (см. рис. 14).

Установка имеет 4 режима работы: два режима вентиляции, при которых компрессор отключен, и два режима охлаждения различной мощности. Переключение между ними осуществляется при помощи ручки на лицевой панели установки.

В различных точках установки закреплены датчики температуры и влажности. Система управления и сбора данных обрабатывает информацию, полученную от датчиков, и отправляет ее на ПЭВМ. Программа «Кондиционер» в режиме реального времени выводит эти данные на экран (см. рис. 15). В верхней части окна изображена схема установки, на ней указаны места расположения температурных датчиков, а также текущие значения температур в этих точках.

В нижней части окна температуры конденсатора и испарителя представлены в графическом виде. На графиках указаны температуры фреона в последовательных точках магистралей.

Кроме того, в программе отображаются данные по температуре воздуха на входе и выходе испарителя и конденсатора. Для испарителя указывается влажность входящего и выходящего воздуха.

Для определения холодильного и отопительного коэффициента измеряется электрическая мощность, потребляемая установкой.

4. Порядок выполнения работы

   1. Ознакомьтесь с теоретической частью работы.

   2. Ознакомьтесь с экспериментальной установкой:

1. Ознакомьтесь с экспериментальной установкой. В ее состав входят: кондиционер в прозрачном корпусе (компрессор, конденсатор, испаритель, дроссель, магистрали), система управления и сбора данных, анемометр, ПЭВМ.

2. Измерьте размеры входного вентиляционного отверстия для испарителя и выходного отверстия для конденсатора. Рассчитайте их площади.

1. Определение холодильного и отопительного коэффициентов:

1. Включите компьютер и запустите программу «кондиционер». Ознакомьтесь с программой.

2. Включите кондиционер в режиме вентиляции полной мощности « ». Через насколько минут работы измерьте потребляемую кондиционером мощность. Переключите кондиционер в режим вентиляции частичной мощности « ». Снова измерьте потребляемую мощность.

3. Переключите установку в режим охлаждения малой мощности « ». В течение 10-15 минут следите за изменениями температур на испарителе и конденсаторе. Объясните происходящие процессы.

4. Когда температуры выходящего воздуха стабилизируются (через 10-15 минут после включения), измерьте температуры входящего и выходящего воздуха на испарителе и конденсаторе, потребляемую при этом электрическую мощность. Для воздушного потока, проходящего через испаритель, запишите влажность на входе и на выходе.

5. Скопируйте изображение на мониторе в файл.

6. При помощи анемометра измерьте скорость воздушного потока на входе испарителя и на выходе конденсатора. Измерение следует проводить в 6-8 точках, равномерно распределенных по всей площади, а за результат взять среднее из этих значений.

7. Данные занесите в таблицу

   № опыта	Конденсатор			Испаритель					потребляемая мощность, Вт.
   	tвх, ºC	tвых, ºC	Vвых, м/с	tвх, ºC	отн. влажн.	tвых, ºC	отн. влажн.	Vвх, м/с

8. Включите установку в режим охлаждения большой мощности « ».

9. Через 5-10 минут установится режим. Проведите измерения, аналогичные п.п.4-7.

10. Для каждого опыта определите объемный расход воздуха, проходящего через конденсатор и испаритель. По температуре воздуха определите его плотность (при t = 14 ºC плотность сухого воздуха ρ = 1,20 кг/м³).

11. Рассчитайте для каждого опыта мощность, отбираемую от воздуха испарителем, а также мощность, отдаваемую воздуху конденсатором. Не забудьте учесть изменение влагосодержания воздуха при охлаждении.

12. Определите ε_отоп¹ и ε_хол¹, учитывая что не вся затраченная электрическая энергия идет на работу компрессора (значительная часть потребляется вентилятором).

1. Определение параметров работы кондиционера по p-h диаграмме:

1. Для каждого опыта на p-h диаграмме для фреона R22 (см. приложение) постройте холодильный цикл. Обратите внимание что, те точки, в которых температура слабо отличается от соседней, находятся внутри кривой насыщения. Найдите давление фреона в испарителе и конденсаторе.

2. Объясните, почему при изменении скорости вращения вентилятора изменяется p-h диаграмма цикла.

3. На этой же p-h диаграмме для постройте холодильный цикл без учета необратимых процессов (см. рис. 11). В качестве температуры испарителя следует взять наименьшее значение температуры в области влажного пара для предыдущей диаграммы. Температурой конденсатора следует считать наибольшую температуру в области влажного пара. По циклу рассчитайте холодильный и отопительный коэффициенты ε_хол²и ε_отоп².

1. Определение параметров работы кондиционера по T-s диаграмме:

1. Для каждого опыта на T-s диаграмме для фреона R22 (см. приложение) постройте холодильный цикл.

2. На этой же T-s диаграмме для постройте холодильный цикл без учета необратимых процессов (см. рис. 11). По этому циклу рассчитайте холодильный и отопительный коэффициенты ε_хол³ и ε_отоп³.

3. Рассчитайте холодильный и отопительный коэффициенты ε_хол⁴ и ε_отоп⁴ для цикла Карно при тех же температурах испарителя и конденсатора. Сравните полученные значения с результатами предыдущих опытов.

4. Содержание отчета

Отчет должен содержать следующие разделы: