Лабораторная работа № 4. ИСПЫТАНИЯ ПАРОВОЙ КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Целью работы является углубление знаний по теории и установкам для получения температур, меньших температуры окружающей среды.

Задание

Определить потребляемую мощность, хладопроизводительность и холодильный коэффициент.

Теоретическая часть

Холодильные установки (холодильные машины) предназначены для понижения температуры тел ниже температуры окружающей среды и непрерывного поддержания заданной низкой температуры. Тепло, отнимаемое от охлаждаемого объекта, воспринимается холодильным агентом и передается им окружающей среде.

По виду применяемых холодильных агентов холодильные установки делятся на две группы: воздушные, в которых холодильным агентом служит воздух, и паровые, в которых в качестве холодильных агентов используются пары различных веществ с низкой температурой кипения (NH₃, СО₂, фреоны и др.). Паровые холодильные установки подразделяются на паровые компрессионные, пароэжекторные и абсорбционные.

На рис.1 изображена схема воздушной компрессионной холодильной установки, которая работает следующим образом. Воздух, охлаждающий помещение 1, поступает в компрессор 2, где сжимается по адиабате 1-2 (рис.2). Сжатый горячий воздух направляется в воздухоохладитель 3, в котором охлаждается по изобаре 2-3 и передает в окружающую среду теплоту q₁. Охлажденный сжатый воздух поступает в детандер (расширитель) 4, где расширяется по адиабате 3-4 до первоначального давления, а температура понижается до –60 ^оС или –70 ^оС. Детандер помогает приводу компрессора 5 вращать вал компрессора. Холодный воздух направляется для охлаждения помещения 1, подогревается по изобаре 4-1, отнимая от охлаждаемых тел теплоту q₂, затем поступает в компрессор и все процессы повторяются. Таким образом, 12341 – идеальный цикл воздушной компрессионной холодильной машины, холодильный коэффициент которой равен e=Т₁/(Т₂-Т₁), где Т₁ – температура воздуха на входе в компрессор, а Т₂ – на выходе из компрессора.

Цикл воздушной холодильной установки является термодинамически несовершенным, а установка малоэкономична и громоздка.

На рис.3 изображена схема пароэжекторной холодильной установки, основными элементами которой являются парогенератор 1, эжектор 2, испаритель 3, дроссельный вентиль 4, конденсатор 5, насос 6 и охлаждаемый объект 7.

Из парогенератора 1 пар направляется в сопло эжектора, где расширяется, и поступает с высокой скоростью в камеру смешения. Сюда же из испарителя 3 подсасывается пар низкого давления, смешивается с высокоскоростным потоком пара, выходящим из сопла. В результате смешения происходит увеличение скорости подсасываемого пара. Из камеры смешения эжектора смешанный поток пара поступает в диффузор эжектора, в котором кинетическая энергия потока переходит в потенциальную энергию с повышением давления, и направляется в конденсатор 5, где, отдавая теплоту парообразования, полностью конденсируется. При выходе из конденсатора конденсат разветвляется на два потока. Один поток дросселируется в вентиле 4, в результате образуется влажный насыщенный пар, который является холодильным агентом и направляется в испаритель 3, где, получая теплоту охлаждаемых тел q₂ , при постоянном давлении подсушивается и поступает в камеру смешения эжектора. Далее все процессы повторяются. Другой поток конденсата всасывается насосом 6 и подается в парогенератор 1, где за счет подведенной извне теплоты q₁ превращается в пар и снова поступает к соплу эжектора. Холодильный коэффициент пароэжекторной холодильной установки определяется по формуле

e=q₂/q₁.

Теплота q₂ отводится от охлаждаемого объекта и передается в испарителе к холодильному агенту при помощи рассола ( крепкий раствор соли), который замерзает при более низкой температуре.

Существенным преимуществом пароэжекторных холодильных установок является отсутствие дорогого компрессора. Кроме того, они отличаются простотой, надёжностью в работе, малыми размерами всех агрегатов, но термодинамическое совершенство и тепловая экономичность их невысокие.

На рис.4 представлена схема абсорбционной холодильной установки, включающая в себя следующие основные элементы: 1 – парогенератор; 2 – конденсатор; 3,4 – дроссельные вентили; 5 – испаритель; 6 – охлаждаемый объект; 7 – абсорбер; 8 – насос.

Рабочим телом (холодильным агентом) такой установки является раствор двух полностью растворимых друг в друге веществ с резко различными температурами кипения, например водоаммиачный раствор. При Р=100 кПа температура кипения чистой воды 99,84 ^оС, а чистого аммиака – 33,4 ^оС. Жидкость с низкой температурой кипения (аммиак) используется как холодильный агент, а жидкость с высокой температурой кипения (вода) – как абсорбент.

В парогенераторе 1 при постоянном давлении Р_к происходит выпаривание из раствора аммиака за счет подводимой теплоты q₁ . Образуется влажный насыщенный пар, который направляется в конденсатор 2, где, отдавая охлаждающей воде теплоту парообразования, конденсируется при Р_к=const. Образующийся конденсат проходит через дроссельный вентиль 3. При этом давление понижается до давления в абсорбере Р_а, температура становится ниже температуры охлаждаемого объекта и образуется влажный насыщенный пар с малой степенью сухости. Этот пар поступает в испаритель, через который циркулирует рассол, отнимающий от охлаждаемого объекта теплоту q₂, за счет теплоты q₂ агент подсушивается и в виде насыщенного пара с повышенной степенью сухости направляется в абсорбер 7, где поглощается раствором, а выделяющееся при этом тепло отводится охлаждающей водой. Чтобы не было изменения концентрации раствора в парогенераторе и абсорбере вследствие выпаривания агента в парогенераторе и поглощения его в абсорбере, часть обогащенного аммиаком раствора из абсорбера перекачивается насосом 8 в парогенератор , а из парогенератора часть обедненного раствора через дроссельный вентиль 4 направляется в абсорбер.

Полезным эффектом работы абсорбционной установки является теплота q₂, воспринимая агентом в испарителе. Для получения этого эффекта в установке затрачивается теплота q₁, подводимая в парогенераторе. Степень эффективности абсорбционных установок характеризуется тепловым коэффициентом (холодильным коэффициентом) e=q₂/q₁=0,2¸0,8. Несмотря на относительную простоту конструкции абсорбционных установок, их целесообразно применять в тех случаях, когда для работы парогенератора имеется возможность использовать теплоносители низкого потенциала (например отработавший водяной пар).

На рис.5 представлена схема паровой компрессионной установки, состоящей из компрессора 1 с приводом 2, конденсатора 3, дроссельного вентиля 4 и испарителя 5.

На рис.6 изображен цикл паровой компрессионной холодильной установки в Т-S диаграмме. В компрессор 1 поступает хладоагент в виде сухого насыщенного пара, его состоянию соответствует на Т-S диаграмме точка 1. В компрессоре хладоагент сжимается по адиабате 1-2. Сжатый горячий хладоагент направляется в конденсатор 3, где по изобаре 2-3 охлаждается до сухого состояния, затем полностью конденсируется по изобарно-изотермическому процессу 3-4 и может переохладиться на несколько градусов по линии 4-5. После этого охлажденный агент в жидком виде проходит через дроссельный вентиль 4 и дросселируется по линии постоянной энтальпии 5-6. В точке 6 температура хладоагента значительно ниже температуры окружающей среды. Холодный агент в виде влажного насыщенного пара проходит через испаритель 5, где за счет теплоты q₂ , отнимаемой от охлаждаемых тел, подсушивается по изобарно-изотермическому процессу 6-1. Затем хладоагент поступает в компрессор и все процессы повторяются.

Тепло q₂=h₁-h₆, где h₆ –энтальпия хладоагента на входе в испаритель, Дж/кг; h₁ -- энтальпия хладоагента на выходе из испарителя и на входе в компрессор, Дж/кг.

Работа, затрачиваемая на сжатие хладоагента в компрессоре, равна l=h₂-h₁, где h₂ – энтальпия хладоагента на выходе из компрессора, Дж/кг.

Тогда холодильный коэффициент идеальной паровой компрессионной установки будет равен

e=q₂/l=(h₁-h₆)/(h₂-h₁).

Описание опытной установки

Схема опытной холодильной установки представлена на рис.7. Установка состоит из компрессора 1 с электроприводом 2, конденсатора радиаторного типа 3, дроссельного вентиля 4, испарителя радиаторного типа 5, вентиляторов 6 и 7 с электроприводом 8.

Конденсатор 3 и испаритель 5 обдуваются воздухом, подаваемым вентиляторами 6 и 7. Мощность, потребляемую компрессором 1 и вентиляторами 6 и 7, измеряем ваттметром . Скорость воздуха, охлажденного в испарителе 5, измеряем чашечным анемометром типа МС-13, а температуру – медным термометром сопротивления, подключенным к автоматическому мосту типа КСМ 2 , или ртутным термометром.

	Рис.7. Схема опытной холодильной установки

Проведение опыта

1. Установить пределы измерения на ваттметре, «U»=300 В, «I»=10 А.

2. Включить установку.

3. Через 10-15 мин. после включения установки произвести замер температуры воздуха на входе в испаритель и на выходе из него.

4. Выключить счетный механизм анемометра при помощи арретира и записать показание анемометра – I₁ дел. После этого одновременно включить секундомер и счетный механизм анемометра при помощи арретира. Через время t=100 с. отключить счетный механизм анемометра и записать его конечное показание – I₂ дел. Через 1-2 мин. замер повторить.

5. Снять показание ваттметра – n дел.

6. Выключить установку.

7. Результаты измерений занести в табл.1.

Обработка результатов измерений

Находим мощность Nу (Вт), потребляемую установкой

N_y=I×U×n/ n_ш,

где n_ш – число делений шкалы ваттметра.

Определяем среднюю скорость W (м/с) холодного воздуха в патрубке

W=0,5+1,025×ÑI/t.

Таблица 1

Замеры	Температура холодного воздуха tх, оС	Температура окружающей среды to, оС	Показание ватт- метра, n, дел	Показания анемометра, дел	Время замера , с
h1	h2	Dh=h2-h1
	х	х	х	х	х	х	х
	х	х	х	х	х	х	х
Среднее значение	х	х	х	х	х	х	х

Вычисляем плотность ρ (кг/м³) холодного воздуха

r=Р_б/[287(287+t_х)],

где Р_б – давление атмосферного воздуха, Па.

Находим холодопроизводительность Qх (Вт) установки:

Q_х=W×F×r×С_р×(t_o-t_х),

где F- площадь поперечного сечения патрубка; С_р=1005 Дж/(кг .К) – изобарная массовая теплоёмкость воздуха.

Определяем холодильный коэффициент установки

e=Q_x/N_y.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Схема и цикл воздушной копрессионной холодильной установки.

2. Схема пароэжекторной холодильной установки.

3. Схема абсорбционной холодильной установки.

4. Схема и цикл паровой компрессионной холодильной установки.

____________________________

1. Теплотехника / Под ред. А.П.Баскакова.- М.: Энергоиздат, 1982.-264 с.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.-