Схема и цикл паровой компрессионной холодильной машины
Принципиальная схема и термодинамический цикл в S, Т-диаграмме паровой компрессионной холодильной машины показаны на рис. 3.1 и 3.2. Основными элементами машины являются компрессор КМ, конденсатор КД, дроссельный вентиль ДВ и испаритель И, соединенные между собой трубопроводами.
Компрессор отсасывает пары холодильного агента из испарителя, сжимает их по адиабате 1 / –2 / с давления кипения р0 до давления конденсации рк и нагнетает в конденсатор. В конденсаторе от холодильного агента отводится энергия холодной водой или окружающим воздухом и сжатые пары при постоянном давлении рк и температуре Тк конденсируется (изотерма 2 / – 3 / ). Жидкий холодильный агент из конденсатора направляется через дроссельный вентиль в испаритель. Проходя через дроссельный вентиль, холодильный агент дросселируется с давления конденсации рк до давления кипения р0.
КМ – компрессор, КД – конденсатор, ДВ – дроссельный вентиль,
При этом происходит понижение температуры холодильного агента от Тк до Т0. Принимается, что процесс дросселирования идет при постоянной энтальпии. Поэтому процесс в дроссельном вентиле на рассматриваемой диаграмме изображается линией 3’–4′, представляющей собой изоэнтальпу. В испарителе холодильный агент кипит при постоянном давлении р0 и температуре Т0 (процесс 4’–1′).
 |
машины в S, T-диаграмме
Пары холодильного агента в состоянии, характеризуемом точкой 1′, засасываются компрессором.
Количество тепла q0, отнимаемое 1 кг холодильного агента от охлаждаемой среды, на диаграмме пропорционально площади а-b-1′-4′-а, а работа l, затрачиваемая на осуществление цикла и отнесенная тоже к 1 кг холодильного агента, – площади 1′-2′-3′-с-1′. Коэффициент цикла может быть выражен:
(3.1)
Дата добавления: 2015-03-07 ; просмотров: 1389 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Основные компоненты холодильного контура. Цикл парокомпрессионной холодильной машины
В основе действия холодильных машин лежит второй закон (или второе начало) термодинамики, который применительно к холодильным машинам гласит: для передачи теплоты от менее нагретого тела (холодного) к более нагретому (горячему) необходимо затратить энергию.Иными словами, чтобы охладить какое-либо тело, необходимо отвести от него теплоту, используя для этого какое либо техническое устройство.
В системах охлаждения используется явление увеличения теплосодержания вещества во время плавления и кипения при постоянной температуре. Самый простой способ отвода тепла от определенной области осуществляется при помощи ледяного блока. При плавлении лед поглощает тепло из окружающей атмосферы и продуктов, а продукт плавления льда отводится за пределы ледника—в окружающую среду.
Поскольку теплота парообразования во много раз больше теплоты плавления, во время процесса кипения поглощается большее количество теплоты при постоянной температуре. Поэтому рекомендуется производить перенос теплоты при температуре кипения вещества. В этом состоит преимущество компрессионных систем охлаждения. В дальнейшем в данном курсе будут рассмотрены особенности монтажа парокомпрессионных систем охлаждения.
Рассмотрим цикл работы холодильной установки на примере бытового холодильника.
 |
| Цикл холодильной установки (бытовой холодильник) |
Холодильник оснащен теплообменником (испарителем), куда поступает хладагент в парожидкостной фазе (смесь пара с жидкостью). В испарителе за счет кипения рабочего вещества теплота отводится от охлаждаемой среды — воздуха в системе непосредственного охлаждения (как в рассматриваемом примере), воды или рассола в системе с промежуточным хладоносителем.
Компрессор откачивает пары хладагента из испарителя, сжимает их и направляет в другой теплообменник – конденсатор, расположенный на внешней части холодильной камеры.
В конденсаторе теплота отводится от конденсирующегося рабочего вещества с помощью охлаждающей среды — воздуха или воды— которая при этом нагревается. Хладагент меняет агрегатное состояние на жидкое.
Обычно температура окружающего конденсатор воздуха (комнатная) составляет от 20 до 25°C. Для обеспечения правильного отвода теплоты от конденсатора в окружающую среду температура конденсации должна превышать температуру окружающей среды в данном случае на 20-30 К. Для хладагента R134a и предполагаемой температуры конденсации 50°C абсолютное давление в конденсаторе составляет 13,2 бар.
Таким образом, задача компрессора состоит не только в удалении паров хладагента из испарителя, но и в их сжатии.
Жидкое рабочее вещество из конденсатора проходит через регулирующий (дроссельный) вентиль, где происходит процесс дросселирования (расширения рабочего тела без совершения внешней работы). Этот вентиль (в данном случае капиллярная трубка) расположен между конденсатором и испарителем, в котором хладагент расширяется и его давление снижается до давления кипения. Здесь замыкается цикл охлаждения.
Ниже приведена схема холодильного цикла в условных обозначениях
 | Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной машины: КМ — компрессор; КД — конденсатор; РВ — регулирующий вентиль; И — испаритель; /, 2,3,4 — точки цикла |
Процессы, обозначенные на схеме:
4—1—кипение рабочего вещества (хладагента) в испарителе, при этом теплота Q0 отводится от охлаждаемой среды
1—2—сжатие паров рабочего вещества в компрессоре;
2—3—конденсация паров рабочего вещества в конденсаторе, при этом теплота Q передается окружающей или нагреваемой среде;
3—4—дросселирование рабочего вещества в регулирующем вентиле.
Таким образом, парокомпрессионная холодильная машина должна иметь четыре обязательных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль.
Температура кипения рабочего вещества в испарителе зависит от давления кипения р0, а оно, в свою очередь,— от производительности компрессора. Температуру кипения поддерживают такой, чтобы обеспечить необходимую (заданную) температуру охлаждаемой среды. Для понижения температуры кипения необходимо понизить давление кипения, что можно сделать, увеличив производительность компрессора.
Температура конденсации рабочего вещества и соответствующее ей давление конденсации зависят главным образом от температуры среды, используемой для охлаждения конденсатора. Чем она ниже, тем ниже будут температура и давление конденсации. Величины давлений кипения и конденсации в значительной мере влияют на производительность компрессора. Они же в основном определяют и количество энергии, которое необходимо для его работы.
Представление цикла холодильной машины в термодинамических диаграммах
Теоретические циклы холодильных машин изображают на термодинамических диаграммах, которые позволяют лучше понять принцип их действия. Термодинамические диаграммы, кроме того, служат теоретической базой для расчета холодильных машин в целом и их отдельных элементов.
На i, lgр и s, T-диаграммах из точки К, соответствующей критическому состоянию хладагента, расходятся две так называемые пограничные кривые, разделяющие поле на три зоны: переохлажденной жидкости (ПЖ), парожидкостной смеси (Ж+П) и перегретого пара (ПП).
Если на i, lgp-диаграмме провести линию постоянного давления (p = const) — изобару, а на s, Т-диаграмме—линию постоянной температуры (T=const) — изотерму, то они пересекут пограничные кривые в точках А и В. В точке А хладагент находится в состоянии насыщенной жидкости, а в точке В — насыщенного пара.
Фазовый переход от жидкости к пару на диаграммах идет слева направо. При подводе теплоты (энтальпия и энтропия возрастают) переохлажденная жидкость, достигнув состояния насыщения в точке А, начинает кипеть. По мере дальнейшего подвода теплоты содержание жидкости в единице массы хладагента уменьшается, а содержание пара – увеличивается, достигая в точке В 100 %. Образуется насыщенный пар. Паросодер-жание х хладагента на левой пограничной кривой равно 0, а на правой—1. Состояние при х=1 называют также сухим насыщенным паром, чтобы подчеркнуть, что пар не содержит частиц жидкости в отличие от влажного пара, представляющего собой смесь пара и жидкости (П + Ж).
Фазовый переход от пара к жидкости на диаграммах идет справа налево. При отводе теплоты происходит процесс конденсации хладагента. Он начинается в точке В и заканчивается в точке A.
На i, lgр-диаграмме разность значений энтальпий i в точках А и В будет равна величине r в кДж/кг, которую, в зависимости от направления процесса (от А к В или от В к А), называют удельной (скрытой) теплотой парообразования или удельной теплотой конденсации.
На s, Т-диаграмме величине r будет соответствовать площадь (заштрихованная) под процессом А — В.
Параметры, соответствующие состоянию хладагента на левой пограничной кривой (х = 0), обозначают с одним штрихом, а на правой (х = 1) — с двумя.
В процессах кипения и конденсации давление и температура насыщения остаются неизменными, так как подводимая или отводимая теплота расходуется на изменение агрегатного состояния хладагента. При этом температура насыщения зависит от давления. При его увеличении она повышается, а при уменьшении — понижается.
Если после подвода определенного количества теплоты и достижения хладагентом состояния насыщенного пара в точке В продолжать подводить теплоту при постоянном давлении (p = const), то этот процесс В — С будет сопровождаться повышением температуры: ТС>ТВ. Насыщенный пар перейдет в точке С в состояние, называемое перегретым паром.
Аналогично, если после окончания процесса конденсации В — А продолжать отводить теплоту, то дальнейший процесс А — D будет сопровождаться понижением температуры. Насыщенная жидкость перейдет в точке D в состояние, называемое переохлажденной жидкостью.
На i, lgp-диаграмме изотермы (T = const) в зоне ПЖ идут почти вертикально вверх, параллельно изоэнтальпам—линиям постоянной удельной энтальпии (i=const), а в зоне ПП—резко вниз.
На s, T-диаграмме изотермы горизонтальны. Изобары (р=const) в зоне ПЖ идут резко вниз и почти совпадают с пограничной кривой (x = 0), в зоне ПП — поднимаются круто вверх. Изоэнтальпы (i =const) спускаются круто вниз.
Линии постоянной удельной энтропии (s = const) Ha s, T-диаграмме вертикальны, а на i, lgр-диаграмме располагаются примерно под углом 45° к горизонтали.
С небольшим подъемом от горизонтали идут на обеих диаграммах линии постоянного удельного объема (ν = const). Большим давлениям р соответствует меньший удельный объем ν.
Поскольку при работе парокомпрессионной холодильной машины в установившемся (стационарном) режиме давления кипения р0 и конденсации рк хладагента постоянны, количество подводимой или отводимой теплоты изображается на i, lgр-диаграмме в виде отрезка прямой линии и равно разности энтальпий в начале и конце процесса. В этом заключается достоинство i, lgp-диаграммы, которое обусловило ее широкое использование для расчета парокомпрессионных холодильных машин.
Схема и цикл паровой компрессионной холодильной машины
Принципиальная схема и термодинамический цикл в S, Т-диаграмме паровой компрессионной холодильной машины показаны на рис. 3.1 и 3.2. Основными элементами машины являются компрессор КМ, конденсатор КД, дроссельный вентиль ДВ и испаритель И, соединенные между собой трубопроводами.
Компрессор отсасывает пары холодильного агента из испарителя, сжимает их по адиабате 1 / –2 / с давления кипения р0 до давления конденсации рк и нагнетает в конденсатор. В конденсаторе от холодильного агента отводится энергия холодной водой или окружающим воздухом и сжатые пары при постоянном давлении рк и температуре Тк конденсируется (изотерма 2 / – 3 / ). Жидкий холодильный агент из конденсатора направляется через дроссельный вентиль в испаритель. Проходя через дроссельный вентиль, холодильный агент дросселируется с давления конденсации рк до давления кипения р0.
КМ – компрессор, КД – конденсатор, ДВ – дроссельный вентиль,
При этом происходит понижение температуры холодильного агента от Тк до Т0. Принимается, что процесс дросселирования идет при постоянной энтальпии. Поэтому процесс в дроссельном вентиле на рассматриваемой диаграмме изображается линией 3’–4′, представляющей собой изоэнтальпу. В испарителе холодильный агент кипит при постоянном давлении р0 и температуре Т0 (процесс 4’–1′).
 |
машины в S, T-диаграмме
Пары холодильного агента в состоянии, характеризуемом точкой 1′, засасываются компрессором.
Количество тепла q0, отнимаемое 1 кг холодильного агента от охлаждаемой среды, на диаграмме пропорционально площади а-b-1′-4′-а, а работа l, затрачиваемая на осуществление цикла и отнесенная тоже к 1 кг холодильного агента, – площади 1′-2′-3′-с-1′. Коэффициент цикла может быть выражен:
(3.1)
Изучение работы парокомпрессионной холодильной машины
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПАРОКОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ
по курсам «Теплотехника»,
«Техническая термодинамика и теплотехника»,
«Гидравлика и теплотехника»
для студентов специальностей 280201
дневной и заочной форм обучения
Цель работы: Теоретическое и экспериментальное изучение термодинамических основ работы парокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ). Ознакомление с конструктивной схемой, принципом действия и методикой теплового расчёта ПКХМ, экспериментальное определение параметров хладагента в характерных точках с построением рабочего цикла установки в lgP, h-диаграмме. Оценка теоретических и действительных показателей эффективности испытанной ПКХМ.
1. Основные понятия
Основным назначением холодильных машин является выработка искусственного холода, то есть отвод теплоты от охлаждаемого объекта в окружающую среду, имеющую более высокую температуру.
Согласно второму закону термодинамики, тепло, отводимое от тела с более низкой температурой, не может само переходить к окружающей среде, имеющей более высокую температуру. Поэтому производство холода в холодильных машинах любых типов всегда сопровождается затратами энергии.
Рабочее тело холодильных машин называется хладагентом.
По виду хладагента холодильные машины бывают газовые и паровые.
В паровых холодильных машинах холод получается за счёт дросселирования насыщенной жидкости хладагента (т. е. жидкости имеющей температуру кипения при данном давлении) с высоким давлением и температурой равной температуре окружающей среды. В процессе дросселирования давление жидкости понижается. Этому пониженному давлению соответствует меньшее значение температуры кипения и, следовательно, в процессе дроселирования жидкость становится перегретой и часть её мгновенно испаряется (получается насыщенная парожидкостная смесь при давлении близком к атмосферному). На фазовый переход в системе расходуется значительное количество энергии и в результате система охлаждается ниже температуры окружающей среды.
Наиболее распространенными и достигшими в конструктивном отношении высокой степени совершенства и экономичности являются паровые компрессионные холодильные машины (ПКХМ). Принципиальная схема ПКХМ показана на рис. 1.
Компрессор служит для сжатия паров холодильного агента, отсасываемого из испарителя и сепаратора (отделителя жидкости). Сжатие паров сопровождается их перегревом. В ПКХМ используются объёмные компрессоры, как правило, поршневые одно-и двухступенчатого сжатия.
В дроссельном вентиле происходит регулируемый процесс дросселирования насыщенной жидкости хладагента. Чем больше падение давления на дроссельном вентиле, тем ниже температура хладагента.
Испаритель служит для испарения насыщенной жидкости холодильного агента при низкой температуре. При этом теплота отводится от охлаждаемой среды к хладагенту. Конструктивно испаритель представляет собой поверхность теплообмена трубчатую или иную расположенную внутри охлаждаемого объекта (технологического помещения, камеры или аппарата).
В ПКХМ в качестве хладагентов используются жидкости с низкими температурами кипения (при давлениях близких к атмосферному): аммиак, фреоны, углекислота, сернистый ангидрид и ряд других агентов.
Рис.2. Цикл одноступенчатой парокомпрессионной холодильной
машины в lgP—h— диаграмме хладагента
Циклические процессы, происходящие с хладагентами в холодильных машинах, изображают в диаграммах состояния этих веществ (паровых диаграммах). Наиболее применяемой для анализа работы и расчётов холодильных машин является энтальпийная lgP,h-диаграмма, поскольку теплота изобарного процесса изменения состояния хладагента изображается в ней длиной соответствующего отрезка Dh, легко определяемого по энтальпийной шкале.
На рис. 2 схематично показаны теоретический и действительный циклы одноступенчатой ПКХМ, построенные в lgP—h-диаграмме хладагента.
За теоретическим цикл современной ПКХМ принят цикл :
Простейший цикл ПКХМ (процессы 1’-2’-3-4’-5’) не включает процессов переохлаждения конденсата перед дросселированием и перегрева паров хладагента перед компрессированием. Переохлаждение конденсата перед дросселированием является действенным приёмом увеличения холодопроизводительности машины и повышения её термодинамической эффективности, что подтверждается графическим анализом цикла ПКХМ в T,s— и lgP,h-диаграммах.
Действительный цикл ПКХМ (процессы 1-2д-3-4-5) отличатся от теоретического необратимым процессом (Ds>0) политропного сжатия паров хладагента 1-2д в реальном компрессоре. Это приводит к дополнительным затратам работы на привод холодильного компрессора, которые учитываются внутренним относительным КПД компрессора.
, (1)
Поскольку характеристики холодильной машины подлежат изменению при эксплуатации холодильные компрессоры и агрегаты принято характеризовать холодопроизводительностью Q0 ст и потребляемой мощностью Nст при стандартных условиях эксплуатации.
Для пересчета холодопроизводительности на рабочие условия эксплуатации (при рабочих значениях tк и t0 ) используют соотношение
® 
, Вт (2)
Далее приводится методика поверочного расчёта холодильной машины с теоретическим и действительным циклом работы, целью которого является определение характеристик работы машины на заданном режиме эксплуатации:
— удельная массовая холодопроизводительность (на 1 кг хладагента)
, кДж/кг (3)
— массовый расход хладагента (массовая производительность компрессора)
, кг/с; (4)
— удельная и полная теплота на перегрев пара хладагента в испарителе
, кДж/кг ; 
, кВт; (5 а, б)
— удельная работа, затрачиваемая на сжатие пара хладагента в компрессоре теоретическая и действительная
; 
, кДж/кг; (6 а, б)
— мощность, затрачиваемая на привод компрессора теоретическая и действительная
, 
, кВт; (7 а, б)
— удельная теплота, отводимая от хладагента в конденсаторе теоретическая и действительная
; 
, Дж/кг; (8 а, б)
— полная теплота, отводимая от хладагента в конденсаторе (тепловая нагрузка конденсатора) теоретическая и действительная
; 
, кВт; (9 а, б)
— удельная и полная теплота на переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе
, кДж/кг ; 
, кВт; (10 а, б)
— холодильный коэффициент теоретического и действительного цикла
, 
(11 а, б)
2. Методика эксперимента
2.1. Описание лабораторной установки
Основу лабораторного стенда, схема которого представлена на рис. 3, составляет агрегат ПХКМ, представляющий собой замкнутую герметичную систему, заполненную хладагентом фреоном R-22 в смеси с фреоновым маслом.
Рис. 3. Принципиальная схема лабораторной установки
Компрессор засасывает пары фреона, сжимает их и нагнетает в конденсатор, где происходит конденсация паров. Наружная поверхность конденсатора охлаждается воздухом при помощи осевого вентилятора. Воздух, нагреваясь, отводит теплоту в окружающую среду. Жидкий фреон после конденсатора проходит через автоматически регулируемое дроссельное устройство. Получившаяся парожидкостная смесь собирается в ресивере, который выполняет функцию сепаратора. Из ресивера жидкий фреон поступает в испаритель. Поступающий в испаритель фреон вскипает, забирая теплоту из окружающего воздуха соприкасающегося со стенками испарителя. Пары фреона из испарителя по всасывающему трубопроводу поступают в компрессор, после чего цикл повторяется.
В лабораторной холодильной установке используется автоматическое дроссельное устройство сильфонного типа. Оно представляет собой трубку с капилярной структурой, на которую оказывается переменное сдавливающие воздействие (посредством расширяющегося газового сосуда- сильфона, погружённого в хладагент) уменьшающее проходное сечение капилляров. Это автоматическое устройство с обратной связью: при повышении температуры по сравнению с заданной газ в сильфоне расширяется, сдавливающие воздействие усиливается- давление и температура хладагента понижаются. Лабораторная установка предусматривает как базовый выбор режимов охлаждения, так и тонкое ручное настраивание путем дополнительного органа ручного воздействия на капилярное дроссельное устройство.
Техническая характеристика компрессора:
тип – низкотемпературный герметичный, производства Aspera, Словакия;
холодильный агент – R22;
2.2. Техника эксперимента
1. К выполнению работы допускаются студенты, прослушавшие инструктаж по технике безопасности и правилам проведения работ в учебной лаборатории теплотехники, ознакомившиеся с правилами безопасности и методикой проведения эксперимента.
2. Работа проводится только под контролем преподавателя или лаборанта.
3. Перед включением стенда необходимо убедиться в надежности изоляции всех токоведущих элементов, исправности коммутирующих и измерительных приборов, наличии заземления.
4. Во время проведения опыта нельзя касаться металлических частей установки.
5. Не разрешается оставлять включенную установку без присмотра. Студентам запрещается производить любые действия, не предусмотренные методикой выполнения работы.
2.5. Порядок выполнения работы
1. Осмотреть установку и, согласно схеме, найти все ее основные элементы и измерительные приборы и места установки датчиков.
2. Оценить готовность установки к работе: проверить подключение стенда к электрической сети; подключение датчиков к щитовым приборам; убедиться в исправности заземления.
3. Установить переключатель регулируемого дроссельного устройства в одно из базовых режимов охлаждения.
4. Включить холодильную установку с помощью включателя.
5. Путём вращения органа ручного управления дроссельным устройством осуществить тонкое регулирование перепада давления и соответственно температуры охлаждения контролируя нижнее давление Р1 по манометру. Выбранный температурный режим автоматически поддерживается на протяжении всего эксперимента.
6. Через 20 минут после включения агрегата производят запись показаний термопар t1 , t2 , t4 с интервалом 5 минут. После достижения стационарного режима, о чем судят по постоянству показаний соответствующих термометров, произвести основной замер. Значения измеренных величин занести в табл. 1.