Цикл парокомпрессионной холодильной установки

Методические указания

к лабораторной работе

для студентов ФЭН всех форм обучения

Новосибирск
2010

УДК 621.565(07)

Т 343

Составил: канд. техн. наук, доц. Ю.И. Шаров,

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Г.В. Ноздренко

Работа подготовлена на кафедре тепловых электрических станций

© Новосибирский государственный

технический университет, 2010 г.

ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Практическое закрепление знаний по второму закону термодинамики, циклам, холодильным установкам.

2. Ознакомление с холодильным агрегатом ИФ-56 и его техническими характеристиками.

3. Изучение и построение циклов холодильных установок.

4. Определение основных характеристик, холодильной установки.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Обратный цикл Карно

Холодильная установка предназначена для передачи теплоты от холодного источника к горячему. Согласно формулировке Клаузиуса второго закона термодинамики теплота не может сама собой переходить от холодного тела к горячему. В холодильной установке такая передача теплоты происходит не сама собой, а благодаря механической энергии компрессора, затрачиваемой на сжатие паров холодильного агента.

Основной характеристикой холодильной установки является холодильный коэффициент, выражение которого получается из уравнения первого закона термодинамики, записанного для обратного цикла холодильной установки с учетом того, что для любого цикла изменение внутренней энергии рабочего тела Du = 0, а именно:

q = q₁ – q₂ = l, (1.1)

где q₁ – теплота, отданная горячему источнику; q₂ – теплота, отнятая от холодного источника; l – механическая работа компрессора.

Из (1.1) следует, что горячему источнику передается теплота

q₁ = q₂ + l, (1.2)

a холодильный коэффициент представляет собой долю теплоты q₂, переданной от холодного источника к горячему, приходящейся на единицу затраченной работы компрессора

(1.3)

Максимальное значение холодильного коэффициента для заданного диапазона температур между Т_гор горячего и Т_хол холодного источников теплоты имеет обратный цикл Карно (рис. 1.1),

Рис. 1.1. Обратный цикл Карно

для которого теплота, подведенная при t₂ = const от холодного источника к рабочему телу:

q₂ = T₂ · (s₁ – s₄) = T₂ · Ds (1.4)

и теплота, отданная при t₁ = const от рабочего тела к холодному источнику:

q₁ = T₁ · (s₂ – s₃) = T₁ · Ds, (1.5)

В обратном цикле Карно: 1-2 – адиабатическое сжатие рабочего тела, в результате которого температура рабочего тела Т₂ становится выше температуры Т_гор горячего источника; 2-3 – изотермический отвод теплоты q₁ от рабочего тела к горячему источнику; 3-4 – адиабатическое расширение рабочего тела; 4-1 – изотермический подвод теплоты q₂ от холодного источника к рабочему телу. С учетом соотношений (1.4) и (1.5) уравнение (1.3) для холодильного коэффициента обратного цикла Карно может быть представлено в виде:

(1.6)

Чем выше значение e, тем более эффективен цикл холодильной установки и тем меньшая работа l потребуется для передачи теплоты q₂ от холодного источника к горячему.

Цикл парокомпрессионной холодильной установки

Изотермический подвод и отвод теплоты в холодильной установке удается осуществить в том случае, если холодильным агентом является легкокипящая жидкость, температура кипения которой при атмосферном давлении t₀ £ 0 ^oC, причем при отрицательных температурах кипения давление кипения p₀ должно быть больше атмосферного, чтобы исключить подсос воздуха в испаритель. невысокие давления сжатия позволяют изготовить облегченными компрессор и другие элементы холодильной установки. При существенной скрытой теплоте парообразования r желательны низкие удельные объемы v, что позволяет уменьшить габариты компрессора.

Хорошим хладагентом является аммиак NH₃ (при температуре кипения t_к = 20 ^оС, давление насыщения p_к = 8,57 бар и при t₀ = -34 ^оС, p₀ = 0,98 бар). Скрытая теплота парообразования у него выше, чем у других холодильных агентов, но недостатки его – токсичность и коррозионная активность по отношению к цветным металлам, поэтому в бытовых холодильных установках аммиак не применяется. Неплохими хладагентами являются хлористый метил (СН₃CL) и этан (С₂H₆); сернистый ангидрид (SO₂) из-за высокой токсичности не применяется.

Широкое распространение в качестве холодильных агентов получили фреоны – фторхлорпроизводные простейших углеводородов (в основном метана). Отличительными свойствами фреонов являются их химическая стойкость, нетоксичность, отсутствие взаимодействия с конструкционными материалами при t < 200 ^оС. В прошлом веке наиболее широкое распространение получил R12, или фреон – 12 (CF₂CL₂ – дифтордихлорметан), который имеет следующие теплофизические характеристики: молекулярная масса m = 120,92; температура кипения при атмосферном давлении p₀ = 1 бар; t₀ = -30,3 ^oC; критические параметры R12: p_кр = 41,32 бар; t_кр = 111,8 ^оС; v_кр = 1,78×10^-3 м³/кг; показатель адиабаты k = 1,14.

Производство фреона – 12, как разрушающего озоновый слой вещества, в России было запрещено в 2000 году [1], разрешено только использование уже произведенного R12 или извлеченного из оборудования.