"Теоретический цикл бытового абсорбционного холодильника в I -  диаграмме"

1. Цель и задачи лабораторной работы

1.1. Ознакомиться с особенностями процессов в теоретическом цикле бытового абсорбционного холодильника

1.2. Изучить методы расчета и построения цикла абсорбционного холодильника в диаграмме энтальпия - концентрация.

1.3. Произвести определение параметров узловых точек цикла и расчет удельной тепловой нагрузки на теплообменные аппараты абсорбционного холодильника в соответствии с индивидуальным вариантом задания.

2. Методика расчета и построения цикла бытового абсорбционного холодильника в I -  диаграмме

В абсорбционых холодильных машинах с целью получения холода применяют фазовый переход холодильного агента из жидкого состояния в газообразное. Абсорбционными называются такие холодильные машины, в которых компонент в газовой фазе поглощается абсорбентом в жидкой фазе с образованием жидкой смеси. По виду используемой энергии абсорбционные холодильные машины относятся к теплоиспользующим, так как для осуществления цикла используется теплота, выделяемая при работе электронагревателя.

Бытовая абсорбционная холодильная машина состоит из следующих основных узлов: генератора, ректификатора, дефлегматора, конденсатора, испарителя, змеевика абсорбера, ресивера абсорбера, газового и жидкостного теплообменников. Принципиальная схема абсорбционного холодильного агрегата показана на рисунке 1.

С целью анализа термодинамической эффективности цикла абсорбционной холодильной машины осуществляется построение диаграммы энтальпия - концентрация. Процессы абсорбционной холодильной машины в  - i диаграмме показаны на рисунке 2.

Для определения параметров узловых точек цикла используют диаграмму энтальпия - концентрация равновесных фаз NН₃- Н₂О и таблицу термодинамических параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора. Таблица содержит равновесные значения температур и концентраций, энтропии и энтальпии паровой и жидкостной фаз раствора и позволяет получить уточненные значения этих величин.

Внешние условия, определяющие рабочие процессы, задаются тремя температурами: температурой греющего источника t_h, от которой зависит высшая температура кипения раствора в генераторе t₂; температурой окружающей среды t_w, от которой зависит температура и давление конденсации хладагента t_k и Р_k, а также низшая температура раствора в конце процесса абсорбции t₄; требуемой температурой в охлаждаемом объеме t_s, от которой зависит давление и температура кипения хладагента в испарителе Р_o и t_o.

Давление в генераторе выше давления конденсации на величину гидравлических потерь давления пара на пути в конденсатор. Давление в абсорбере ниже давления в испарителе также на величину гидравлических потерь давления парогазовой смеси между испарителем и абсорбером. Для упрощения построения цикла этими потерями пренебрегают.

Построение цикла абсорбционной холодильной машины в  - i диаграмме производится в следующей последовательности. Точка пересечения изотермы t₄ с изобарой Р_o определяет концентрацию крепкого раствора _r и характеризует состояние жидкости на выходе из абсорбера (точка 4). Точка пересечения изотермы t₂ с изобарой Р_k определяет концентрацию слабого раствора _a и состояние жидкости в конце процесса кипения в генераторе (точка 2).

Раствор низкой концентрации с температурой t₂ поступает в теплообменник и охлаждается встречным потоком холодного раствора высокой концентрации из абсорбера (линия 2-3) до температуры t₃. Температуру t₃ определяют в зависимости от температуры крепкого раствора, поступающего из абсорбера. концентрация слабого раствора в теплообменнике не изменяется, и его состояние на диаграмме определяется точкой пересечения линии _a с изотермой t₃; при этом раствор может быть насыщенным или охлажденным ниже температуры насыщения t₃^o при давлении Р_o.

Состояние раствора высокой концентрации на выходе из теплообменника (точка 1) определяется по тепловому балансу этого аппарата; оно должно быть близко к состоянию насыщения при давлении в генераторе (точка 1^o). Если раствор переохлажден, то линия 1-1^o характеризует процесс насыщения раствора при поступлении в генератор.

Состояние пара в начале кипения определяется точкой пересечения изотермы t₁ в области влажного пара с изобарой Р_k (точка 1'), а в конце процесса - точкой пересечения изотермы t₂ с той же изобарой. При идеальных условиях теплообмена между паром и раствором высокой концентрации в генераторе температуры пара и крепкого раствора будут равны и концентрация пара составит ₁'. В действительности концентрация пара будет на 2 - 3% ниже этого значения.

В процессе ректификации и дефлегмации концентрация пара увеличивается до значения _d, близкого к 1. Если продолжить изотерму t₁ до пересечения с линией _d = соnst, то отрезок 1"-5 будет изображать теплоту, отведенную в дефлегматоре.

Конденсация хладагента с незначительным содержанием водяных паров происходит при постоянной концентрации. Пересечение линии _d с изобарой жидкости Р_k определяет состояние жидкости после конденсации (точка 6). Жидкость после конденсатора переохлаждается до состояния 6'. За счет присутствия в испарителе водорода давление хладагента снижается до значения Р_o. Состояние жидкости на входе в испаритель характеризуется точкой 6', а состояние влажного пара в конце процесса кипения в испарителе соответствует точке 8.

Тепловой расчет процессов абсорбционной холодильной машины выполняют после построения цикла в  - i диаграмме. Расчет удельных тепловых нагрузок проводят для 1 кг холодильного агента, поступающего в испаритель.

По результатам теплового расчета, значениям разности температур в аппаратах и коэффициентам теплопередачи производится расчет необходимой площади теплопередающей поверхности аппаратов.

Рис. 1  Принципиальная схема абсорбционно - диффузионного холодильного агрегата бытового холодильника:

Г - генератор; А - абсорбер; ТО - теплообменники; Р - ректификатор; Д - дефлегматор; КД - конденсатор; И - испаритель.

Расчет цикла начинается с определения параметров узловых точек, которые сводятся в таблицу 1. Параметры узловых точек цикла определяются по таблице термодинамических параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора, приведенной в приложении.

Определение параметров основных точек цикла рекомендуется производить в изложенной ниже последовательности.

Параметры жидкости после генератора определяются по известным значениям давления Р_k и температуры t₂ из таблицы термодинамических параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора. По этой таблице определяется концентрация ' = _a и энтальпия i' = i₂.

Параметры жидкости после абсорбера определяются аналогично по заданным значениям давления Р_o и температуры t₄ из таблицы термодинамических параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора. По этой таблице определяется концентрация ' = _r и энтальпия i' = i₄.

Параметры жидкости после конденсатора определяются следующим образом. Энтальпия i' = i₆ находится из таблицы термодинамических параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора по известным значениям давления Р_k и температуры t₆. Концентрация жидкости ₆ равна концентрации пара после дефлегматора: ₆ = _d (см. ниже параметры пара после дефлегматора).

Рис 2  Процессы абсорбционной холодильной машины в -i диаграмме.

Состояние жидкости в начале кипения в генераторе (раствора высокой концентрации) характеризуется давлением Р_k и температурой t₁^о. Температура t₁^о определяется из таблицы параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора по значению давления Р_k и известной концентрации _r. Для этого в таблице находится давление Р_k и в столбце концентраций ' - ближайшее значение ' = _r, слева от которого располагается искомое значение температуры t₁^о. Затем по температуре t₁^о определяется значение энтальпии i' = i₁^о.

Состояние жидкости после теплообменника (раствора низкой концентрации) определяется давлением Р_k и температурой t₃. Значение температуры t₃ рассчитывается из соотношения: t₃ = t₆ + (45)С. Энтальпия i' = i₃ определяется из таблицы термодинамических параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора по давлению Р_k и температуре t₃. Концентрация ₃ = _a, поэтому в соответствующую графу таблицы 1 записывается определенное выше значение _a.

Параметры жидкости в начале кипения в испарителе зависят от давления кипения Р_o и температуры t₈. Температура t₈ рассчитывается из соотношения: t₈ = t₈' + (34)С. Энтальпия i' = i_s и концентрация ' = s определяются из таблицы параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора по давлению Р_o и температуре t₈.

Параметры пара после генератора определяются из таблицы равновесных фаз водоаммиачного раствора по давлению Р_k и температуре t₁' = t₁^о. Энтальпия и концентрация в данной точке определяются для паровой фазы раствора: i" = i₁', " = ₁'.

Состояние пара после дефлегматора определяется давлением Р_k и температурой t₅. Температура t₅ рассчитывается из соотношения: t₅ = t₆ + (910)С. Энтальпия i" = i₅ и " = _d определяются для паровой фазы раствора из таблицы термодинамических параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора. Значение концентрации _d, как указывалось выше, соответствует концентрации жидкости после конденсатора.

Параметры насыщенного пара после кипения в испарителе определяются по заданным значениям давления Р_o и температуры t₈' из таблицы термодинамических параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора. По этой таблице определяется концентрация " = _x^o и энтальпия i" = i_o.

Рассмотрим порядок расчета цикла абсорбционного холодильника на конкретном примере.

Исходные данные:

1. высшая температура кипения раствора в генераторе: t₂ = 160С;

2. температура конденсации аммиака в конденсаторе: t₆ = 30,3С;

3. низшая температура абсорбции раствора : t₄ = 30,3С;

4. температура кипения аммиака в испарителе: t₈' = 21,7С;

5. давление конденсации: Р_k = 11,76810⁵ Па;

6. давление кипения: Р_o = 1,76510⁵ Па.

Таблица 1  Параметры узловых точек цикла

Состояние вещества	t, С	Р, 105 Па		i, кДж/кг
Жидкость
После генератора	t2 = 160	Рk = 11,7680	a = 0,0904	i2 = 614,23
абсорбера	t4 = 30,3	Рo = 1,7652	r = 0,3676	i4 = 111,46
конденсатора	t6 = 30,3	Рk = 11,7680	d = 0,9959	i6 = 141,87
В начале кипения в генераторе (раствор высокой концентрации)	t1о = 94,3	Рk = 11,7680	r = 0,3676	i1о = 181,49
После теплообменника (раствор низкой концентрации)	t3 = 35,3	Рk = 11,7680	a = 0,0904	i3 = 73,33
В начале кипения в испарителе	t8 = 18	Рo = 1,7652	s = 0,9150	is = 159,59
Пар
После генератора	t1' = 94,3	Рk = 11,7680	1' = 0,9478	i1' = 1529,16
дефлегматора	t5 = 40	Рk = 11,7680	d = 0,9959	i5 = 1323,59
Hасыщенный после кипения в испарителе	t8' = 21,7	Рo = 1,7652	o = 1	io = 1236,40

После определения параметров узловых точек цикла производится расчет удельной тепловой нагрузки на теплообменные аппараты.

1) Кратность циркуляции раствора:

2) Минимальное флегмовое число:

3) Удельная теплота, отведенная от дефлегматора:

q_r = (1 + R) i₁'  i₅  Ri₁^o = (1+0,0829)1529,16  1323,59  0,0829181,49 =

= 316,47 кДж/кг.

4) Удельная теплота, передаваемая слабым раствором в теплообменнике:

q_t = (f  1)(i₂  i₃) = (3,267  1)(614,23  73,33) =

= 1226,22 кДж/кг.

5) Удельная тепловая нагрузка генератора:

q_h = i₅  i₂ + f(i₂  i₁) + q_r = 1359,59  614,23 + 3,267

 (614,3  263,88) + 316,47 = 2170,42 кДж/кг.

i₁ = i₄ + (q_t / f) = 111,46 + 1226,22/3,267 = 263,88кДж/кг

6) Удельная тепловая нагрузка конденсатора:

q_k = i₅  i₆ = 1323,59  141,87 = 1181,72 кДж/кг

7) Удельная тепловая нагрузка испарителя:

q_o = i₈  i₆' = 1179,65  141,87 = 1035,78 кДж/кг,

i₈ = i_о  [(i_о  i_s)/(_о  _s)](_о  _d) = 1245,42 

 [(1245,42+159,59)/(10,915)](10,9959) = 1177,65 кДж/кг.

8) Удельная тепловая нагрузка абсорбера:

q_a = i₈  i₃ + f(i₃  i₄) =

= 1177,65  73,33 + 3,267(73633 + 111,46) = 1708,03 кДж/кг.

9) Удельное количество подведенной теплоты:

q_подв = q_h + q_o = 2170,42 + 1035,78 = 3206,20 кДж/кг.

10) Удельное количество отведенной теплоты:

q_отв = q_a + q_k + q_r = 1708,03 + 1181,72 + 316,47 = 3206,22 кДж/кг.

11) Холодильный коэффициент:

 = q_o / q_h = 1035,78 / 2170,42 = 0,477.

3. Порядок выполнения работы

3.1. Изучить методику построения и расчета цикла абсорбционного холодильника

3.2. По данным своего варианта задания произвести расчет параметров узловых точек цикла и тепловой нагрузки теплообменных аппаратов.

4. Методика проведения испытаний холодильника

4.1. Под наблюдением преподавателя включить ТРМ 138 и записать значение температуры окружающей среды.

4.2. Через 2…3 минуты включить холодильник через измерительный комплект К-505.

4.3. После выхода холодильника на установившийся режим работы произвести измерение температур в узловых точках цикла.

5. Указания по оформлению отчета

Отчет по работе должен содержать:

5.1. Название, цель и задачи лабораторной работы

5.2. Цикл абсорбционной холодильной машины в i -  диаграмме

5.3. Таблицу с параметрами узловых точек цикла (табл.1), рассчитанными в соответствии с индивидуальным вариантом задания.

5.4. Расчет тепловой нагрузки теплообменных аппаратов в соответствии с пунктами 1) - 11) раздела 2.

6 Контрольные вопросы

1. Из каких элементов состоит холодильный агрегат бытового абсорбционного холодильника?

2. Какой процесс происходит в змеевике абсорбера?

3. В чем физическая сущность процесса дефлегмации?

4. В чем физическая сущность процесса ректификации?

5. В каком элементе холодильного агрегата происходит процесс конденсации хладагента?

6. Какие условия нужны для осуществления процесса конденсации?

7. Почему в абсорбционно-диффузионном холодильном аппарате отсутствует дроссельный элемент?

8. Покажите на схеме холодильного агрегата контуры циркуляции водоаммиачного раствора, аммиака, водорода

ПРИЛОЖЕНИЕ