Цель и задачи практических работ

Целью практических работ является закрепление теоретических знаний по отдельным разделам дисциплины «Системы динамического охлаждения и отопления, комфортное жизнеобеспечение», получение навыков решать задачи по моделированию процессов в ТНУ с применением диаграмм рабочих сред, анализировать работу аппаратов и технико-экономические показатели, а так же определять эффективность работы систем.

Задачей практических работ является изучение и практическое освоение каждым студентом термодинамических параметров и свойств веществ, применяемых в ТНУ, методов расчета физических циклов ТН по диаграммам и уравнениям реальных газов, компоновки установок систем динамического охлаждения, отопления с учетом технико-экономических показателей при конструировании элементов и оборудования на основе достижений современной техники и оборудования.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Цель работы

Изучение термодинамических основ тепловых насосов, назначение тепловых насосов, принцип действия и понятие коэффициента эффективности теплового насоса.

Теоретический материал

Принцип действия теплового насоса.

Действие теплового насоса основано на втором законе термодинамики, согласно которому теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к более нагретому, для этого необходимо приложить компенсирующее усилие - совершить работу, рисунок 1.

Рис. 1. Термодинамическая схема теплового насоса:

1 - тепловой насос; Q_H - количество тепловой энергии, поступающей от теплового насоса к источнику высокого потенциала; Q_L - количество тепловой энергии, отбираемой тепловым насосом от источника низкого потенциала; W – работа, подводимая к тепловому насосу; Т_{L ,} Т _H – температуры низкопотенциального и высокопотенциального источников.

Тепловой насос требует затраты работы для отбора теплоты при низкой температуре и отдачи ее при более высокой или другими словами тепловой насос – это устройство, в котором происходит перенос тепловой энергии от источника низкого потенциала (окружающая среда) к источнику более высокого потенциала.

В практической деятельности в качестве тепловых насосов используют модернизированные холодильные машины.

Тепловой насос отбирает теплоту из неограниченного пространства (например, из окружающей среды) и передает (или перекачивает ее и добавочное количество механической работы) в ограниченное помещение, где необходимо поддерживать постоянную более высокую температуру.

При установившемся режиме работы справедливо равенство

Q_H = W + Q_L ,

В тепловом насосе совершается обратный круговой процесс рабочим телом.

В тепловом насосе отношение в виде:

µ =

называется коэффициентом преобразования теплоты.

Эффективность обратного цикла, совершаемого в холодильной машине, оценивается отношением теплоты (холода), отнятой от охлаждаемого объекта, к затраченной работе. Это отношение называется холодильным коэффициентом и выражается в виде:

Коэффициент преобразования теплоты связан с холодильным коэффициентом соотношением m =e + 1.

Обратный цикл Карно является идеальным для теплового насоса, рисунок 2. В нем теплота изотермически подводится при температуре T_L и изотермически отводится при температуре T_H, а сжатие и расширение производятся при постоянной энтропии, работа подводится от внешнего двигателя, а коэффициент преобразования теплоты для цикла Карно будет иметь вид:

m = T_L /( T_Н - T_L ) + 1 = T_Н / (T_Н - T_L )

Соответственно видно, что при уменьшении разности между Т_H и Т_L увеличивается коэффициент преобразования, а это делает применение теплового насоса более эффективным. Значение m всегда больше единицы.

Рис. 2. Принципиальная схема и цикл идеального

теплового насоса:

1 - испаритель; 2 - компрессор;

3 - расширительная машина (детандер);

4 - конденсатор; 5 - электропривод.

Расчетные значения коэффициента преобразования теплоты m идеального обратного цикла Карно теплового насоса при температуре окружающей среды (низкопотенциального источника) T_L = Т_ос = 293 К (20⁰С) и различных температурах высокопотенциального источника T_Н приведены в таблице 1.

Таблица 1. Расчетные значения коэффициента преобразования теплоты обратного цикла Карно

ТH
m	7,5	6,9	5,9	4,8	4,65	4,35

Никакой тепловой насос не может иметь лучшей характеристики, чем у цикла Карно, и все практические циклы лишь реализуют стремление максимально приблизиться к этому пределу.

С целью приближения к циклу Карно, а фактически – с целью создания практически полезного теплового насоса, необходимо стремиться к подводу теплоты при условиях близким к изотермическим. Для этого подбирают рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают теплоту при испарении и отдают при конденсации. Эти процессы образуют изотермы цикла.

Необратимость процессов, происходящих в теплонасосных установках с обратными циклами, приводит к существенному понижению коэффициента преобразования, экономия энергии при использовании тепловых насосов, естественно, снижается. Действительный коэффициент преобразования теплового насоса m_е определяется через действительный холодильный коэффициент обратного цикла e_е

m_е = e_е + 1.

Для предварительной оценки энергетических показателей теплового насоса Мартыновским В.С. предложено эмпирическое выражение

m_е = ,

где Т₀ и Т – температуры источника и приемника теплоты, соответственно; a - коэффициент, учитывающий суммарно все потери: потери цикла, потери в электродвигателе и потери от внешней необратимости при теплопередаче.

Для ориентировочных расчетов отопительных устройств с тепловым насосом при использовании турбокомпрессоров можно принимать следующие значения суммарного коэффициента потерь a в зависимости от производительности установки:

производительность 200…1000 кВт a = 0,45…0,55

производительность 1000…3000 кВт a = 0,55…0,60

производительность свыше 3000 кВт a = 0,60…0,65

Выражение для определения действительного коэффициента преобразования любого теплового насоса можно представить в виде:

m_е = m_к×h_D×h_э×h_i×h_м×h_эл + h_эл×(1 - ×h_i×h_м),

где m_к – коэффициент преобразования теплоты цикла Карно; h_D - коэффициент, учитывающий внешнюю необратимость цикла; h_э - коэффициент, учитывающий приближение эталонного цикла (без учета индикаторных, механических и электрических потерь) к необратимому процессу Карно; h_i ,h_м – индикаторный и механический КПД компрессора; h_эл – КПД электродвигателя.

Для крупных поршневых холодильных компрессоров после подстановки коэффициентов потерь предлагает выражение

m_е = _{- +} + 0,9,

где Т^¢₀ – температура низкопотенциального источника, К; Т_к – температура конденсации хладагента, К.

Коэффициент преобразования теплоты зависит от следующих факторов:

- от разности температур источника низкого потенциала и потребителя высокотемпературной теплоты (чем она выше, тем ниже коэффициент преобразования);

- термодинамических свойств хладагента;

- особенностей термодинамического цикла;

- технического совершенства конструкции теплового насоса.

При проектировании теплонасосной установки очень важно знание действительного коэффициента преобразования, т.к. значительная ошибка в расчете расхода энергии, может привести к неверным выводам относительно рациональности теплонасосной системы теплоснабжения по сравнению с другими системами. Применение тепловых насосов особенно эффективно в случае использования воздушных систем или напольных систем водяного отопления (теплых полов), для которых температура конденсации хладагента может не превышать 35 - 40°С.

Оценка энергетической эффективности проводится обычно двумя методами. Первый - энтропийный метод, базирующийся на оценке потерь по отношению к обратимому циклу; второй - эксергетический метод, основанный на оценке потерь в отдельных процессах по отношению к значению эксергии (зависящей как от состояния тела, так и от температуры среды) до и после процесса.

Эксергией вещества называется максимальная способность этого вещества к совершению работы в процессе, конечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с окружающей средой.

Эксергией теплоты это работа, которая может быть получена в обратимом прямом цикле при переходе некоторого количества теплоты Q_h греющего источника с температурой T_h к окружающей среде с температуройT_о.с., рисунок 3:

,

где η_т - термический к.п.д. прямого обратимого цикла.

Рис. 3. Рабочий процесс теплового насоса

и холодильной машины в диаграмме T-s

Эксергия холода - это работа, которая должна быть затрачена в обратимом обратном цикле для переноса некоторого количества теплоты Q_охл охлаждаемого объекта с температурой T_охл к окружающей среде с температурой T_о.с., рисунок 3:

,

где ε₀ - холодильный коэффициент обратимого обратного цикла.

Эксергия (максимальная работоспособность, превратимая энергия) теплоты определяется по формуле

где Q - количество теплоты, Т - температура тела, у которого эта теплота отнимается (или того, к которому теплота подводится); Т₀ - температура окружающей среды; η_т – термический к.п.д прямого обратимого цикла.

Удельная эксергия потока вещества

e = (i – i₀) – T₀ (s – s₀),

где i, s – соответственно энтальпии и энтропия вещества в рассматриваемом состоянии; i₀, s₀ - соответственно энтальпия и энтропия вещества в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой.

Таким образом, эксергетический КПД является вторым критерием оценки эффективности работы ТН, который учитывает не только количество полученной теплоты, но и его качество, т.е. температурный уровень (Т_в). Эксергетический КПД теплового насоса определяется выражением

η =

где - коэффициент работоспособности полученной теплоты; Q_в, m (t_q)_e - коэффициент полезного действия ТН; N³_км - затраченная работа компрессора.

где Т_ос, Т_в – температуры окружающей среды и высокого потенциала после ТН.

Пределы изменения эксергетического КПД: 0 £ h_е £ 1. Для реальных тепловых насосов коэффициент трансформации составляет m ~ 3…4, в то время как h = 30…40 %. Это означает, что на каждый затраченный кВт×ч энергии в реальной теплонасосной установке можно получить тепловой энергии более высокого потенциала (в зависимости от температуры конденсации) Q_в = 3…4 кВт. Это является основным преимуществом ТНУ перед другими способами получения теплоты (электронагреватели, котельная на органическом топливе и т.п.).

Задание для самостоятельной работы

1. Какой цикл для теплового насоса является циклом – образцом?
2. Как оценивается эффективность цикла теплового насоса?
3. Понятие эксергии тепла, холода.
4. Факторы, влияющие на действительный коэффициент преобразования теплоты.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2

ТИПЫ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Цель работы

Целью данной работы является изучение основных групп тепловых насосов, их принцип действия.

Теоретический материал

В настоящее время разработаны и находят применение три основные группы тепловых насосов:

1. компрессионные (паровые);

2. струйные (эжекторного типа);

3. абсорбционные.

Компрессионные тепловые насосы. Компрессионные насосы применяются для теплоснабжения отдельных зданий или групп зданий, а так же для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок.

В качестве рабочего агента в теплонасосных установках используются обычно фреоны. Схема тепловых насосов, работающих по замкнутому циклу принципиально ничем не отличаются от схемы паровых компрессионных холодильных установок, рисунок 4.

Рис.4. Схема компрессионного ТН работающего

по замкнутому циклу

1 – испаритель, 2 – компрессор, 3 – конденсатор,

4 – детандер, 5- потребитель тепла, 6 – насос.

Этапы цикла работы теплового насоса:

1. Охлажденный жидкий хладагент подается в теплообменник теплового насоса – испаритель. При подаче более теплого источника тепла (наружного воздуха, солевого раствора или воды) на испаритель, циркулирующий в нем хладагент забирает от источника тепла необходимую энергию для испарения и переходит из жидкого состояния в газообразное.

2. Компрессор производит всасывание газообразного хладагента и выполняет его сжатие. За счет увеличения давления происходит повышение температуры.

3. Хладагент направляется конденсатор. Здесь хладагент отдает полученное ранее тепло в циркуляционный контур системы водяного отопления, переходя в жидкое состояние.

4. Затем с помощью расширительного клапана производится снижение имеющегося остаточного давления, и цикл начинается заново.

Теплоисточники на базе тепловых насосов бывают как моновалентные, так и бивалентные. Моновалентные теплоисточники полностью покрывают годовую потребность в отоплении и горячем водоснабжении, включая сезонные, «пиковые» тепловые нагрузки.

Тепловые насосы в бивалентных теплоисточниках покрывают от 50 до 70% годовой потребности в тепловой энергии, но позволяютсущественно сэкономить средства на создание теплоисточника и получить значительнуюэкономию топлива или электроэнергии (посравнению с электрокотельными). Пиковая тепловая нагрузка покрывается за счет дополнительных источников отопления, чаще всегоэлектрических, угольных, газовых или жидкотопливных котлов.

На рисунке 5 приведена схема и процесс в T-s диаграмме парокомпрессионного теплового насоса. Работа теплового насоса осуществляется за счет подведенной к компрессору (КМ) электроэнергии. В процессе 1 - 2 в компрессоре происходит сжатие пара от давления в испарителе Р_о до давления в конденсаторе Р_к. Затем в процессе 2-3 в конденсаторе при Р_к = const происходит охлаждение и конденсация рабочего вещества с отводом теплоты q_S (Q_S), которое передается потребителю. В процессе 3 - 4 происходит расширение (дросселирование) рабочего вещества с Р_к до Р_о, а в процессе 4 - 1 в испарителе рабочее вещество испаряется при t_о за счет подведенного тепла q_о (Q_о) от низкопотенциального источника теплоты. Это количество тепла, как было сказано выше, трансформируется на более высокий температурный уровень.

Однако в зимнее время, когда тепловая нагрузка возрастает, его температура в наших природно-климатических условиях становится слишком низкой, чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса. Идеальный вариант для тепловых насосов - наличие вблизи от потребителя источника “сбросной” теплоты промышленного или коммунального предприятия.

Рис. 5. Схема парокомпрессионного теплового насоса (ТН)

и процесс в T-s диаграмме:

КМ – компрессор; К – конденсатор; Др – дроссель; И – испаритель;

Р_к; t_к – давление и температура в конденсаторе;

Р_о; t_о – давление и температура в испарителе.

В качестве довольно универсального источника низкопотенциальной теплоты можно использовать теплоту грунта. Известно, что на глубине 8 - 10 м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха. В климатических условиях средней полосы России эта температура составляет 5 … 8 °С., что весьма неплохо для использования в тепловых насосах.

Абсорбционные тепловые насосы. Абсорбционные тепловые насосы работают на принципе поглощения водяного пара водными растворами щелочей (NaOH, KOH). Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т. е. с выделением тепла. Это тепло расходуется на подогрев раствора до температуры, значительно превышающей температуру абсорбируемого пара. Нагретый раствор щёлочи по выходе из абсорбера направляют в поверхностный испаритель, где генерируется вторичный пар более высокого давления, чем первичный пар, поступающий в абсорбер. Таким образом, в абсорбционных тепловых насосах процесс получения пара повышенного давления осуществляется за счёт использования тепла, подведённого извне.

В сорбционных установках процессы отбора низкотемпературного тепла и его отдачи основаны на термохимических реакциях поглощения (сорбции) рабочего агента соответствующим сорбентом, а затем выделении (десорбции) рабочего агента из сорбента. Сорбционные установки, в свою очередь, подразделяются на абсорбционные и адсорбционные. В первых процесс сорбции осуществляется во всём объёме абсорбента (на границе жидкой и паровой фаз), а во вторых – на поверхности адсорбента, находящегося обычно в твёрдой фазе. Для трансформации тепла используется внешняя энергия в форме тепла. Принципиальная схема абсорбционной установки на рисунке 6.

Рис. 6. Принципиальная схема абсорбционной установки

Отношение полученной потребителем от теплового насоса тепловой энергии к затраченной энергии (в тепловом эквиваленте) характеризует эффективность работы теплового насоса и называется коэффициентом преобразования или трансформации φ= Q_n/Qз, где Q_n – теплота, полученная потребителем от теплового насоса, а Qз – мощность в тепловом эквиваленте, затраченная на привод компрессора в компрессионном теплонасосе или теплота высокого потенциала, израсходованная в абсорбционном теплонасосе.

Коэффициент трансформации абсорбционных тепловых насосов, (в основном, применяются абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы, в которых в качестве рабочей пары веществ используется раствор бромистого лития - абсорбент, вода - хладоагент) обозначается в технической литературе как ζ = Qn/Qг, где: Qn – количество произведенной теплоты, Qг – количество высокопотенциальной теплоты, затраченной в генераторе абсорбционного теплового насоса. Коэффициент трансформации тепла абсорбционного теплового насоса с одноступенчатой регенерацией раствора составляет 1,65 -1,75, т.е в получаемой потребителем теплоте среднего потенциала на каждую eдиницу теплоты высокого потенциала вовлекается в полезный оборот 0,65 - 0,75 единиц теплоты низкого потенциала. В абсорбционных тепловых насосах с двухступенчатой регенерацией раствора коэффициент трансформации равен 2,0 - 2,1 и утилизируемая теплота составляет более половины получаемой потребителем теплоты.

Абсорбционные тепловые насосы имеют высокий КПД, у них отсутствуют движущиеся части, оборудование может быть легко изготовлено. Однако абсорбционные насосы требуют большой удельной затраты металла, что делает их громоздкими. Возможность коррозии металла требует изготовления аппаратуры из легированной стали. Поэтому абсорбционные тепловые насосы не получили широкого распространения в промышленности.

В абсорбционных холодильных машинах применяется бинарная смесь, компоненты которой имеют различные температуры кипения при одинаковом давлении. Холодильный агент должен иметь низкую температуру кипения, абсорбент (поглотитель) - более высокую.

Наибольшее распространение получили водоаммиачные растворы, в которых аммиак является холодильным агентом, а вода - абсорбентом. Принципиальная схема водоаммиачной холодильной машины приведена на рисунке 7. Пары аммиака, образовавшиеся в испарителе 4 при давлении р_о и температуре t_o, засасываются в абсорбер 5, где поглощаются слабым водоаммиачным раствором. Теплота Q_а, выделяющаяся при поглощении паров аммиака, отводится охлаждающей водой. Процесс абсорбции происходит при постоянном давлении, несколько меньшем давления в испарителе р_о. Полученный в абсорбере раствор насосом 6 перекачивается в генератор (кипятильник) 1. При этом насосом затрачивается работа l_н. В генераторе водоаммиачный раствор выпаривается при давлении, несколько большем, чем давление в конденсаторе р_к. Тепло Q_г, затраченное на получение водоаммиачного пара, подводится от внешнего источника (пар, горячая вода). Водоаммиачный пар с большой концентрацией аммиака поступает в конденсатор 2 и в нём конденсируется, отдавая тепло Q_к охлаждающей воде. Из конденсатора жидкий аммиак через регулирующий вентиль (дроссель) 3 направляется в испаритель, где кипит, производя охлаждающий эффект Q₀.

Рис. 7. Принципиальная схема водоаммиачной холодильной машины

Струйные тепловые насосы. В настоящее время широкое применение получили струйные тепловые насосы эжекторного типа. Пар высокого давления поступает в струйный аппарат, и за счёт использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока. Из аппарата выходит смесь двух потоков. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура. Сжатый поток пара затем выводится из установки. Струйные тепловые насосы получили в настоящее время наибольшее распространение благодаря простоте обслуживания, компактности, отсутствии дорогостоящих элементов.

Любой струйный аппарат рисунок 8 состоит из сопла, куда подается рабочая жидкость (вода, пар, газ), камера смешения, где смешиваются рабочая и подсасываемая жидкость, и диффузор, в котором осуществляется преобразование кинетической энергии в потенциальную, то есть создается давление.

Рис. 8. Схема эжектора.

1 - сопло; 2 - камера смешения; 3 - диффузор.

Работает струйный аппарат следующим образом. Рабочая жидкость выходит из сопла с большой скоростью в виде струи, несущей большой запас кинетической энергии. Активная рабочая струя захватывает окружающую жидкость и передает ей часть своей энергии. Образовавшийся смешанный поток движется в проточной части аппарата. В камере смешения в результате обмена импульсами происходит выравнивание поля скоростей потока и за счет высвобождающейся кинетической энергии растет его статическое давление. Затем поток поступает в диффузор, где вследствие уменьшения скорости и, следовательно, динамического давления потока происходит увеличение статического давления.

К патрубку рабочей жидкости эжектора (струйного насоса) под напором подводится поток жидкости. Жидкость под действием напора с большой скоростью вытекает из сопла, при этом ее потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Разрежение при выходе из сопла настолько велико, что в камеру смешения через всасывающий патрубок засасывается перекачиваемая жидкость. Образовавшаяся смесь попадает в диффузор, где за счет уменьшения скорости вновь увеличивается потенциальная энергия потока (возрастает напор).

К достоинствам струйных компрессоров следует отнести:

- простоту конструкции;

- отсутствие подвижных элементов.

К недостаткам относится:

- очень низкий КПД (не превышает 35 %).

Эжектор обладает существенным преимуществом перед меха­ническими турбиной и компрессором - он не имеет движущихся частей, следовательно, надежен и долговечен в эксплуатации. Кроме того, эжекторные машины, вне зависимости от используемого рабочего вещества, не требуют смазки.

В пароэжекторной холодильной машине (ПЭХМ) пар высокого давления (P_km), генерируемый в котле K_m с помощью источника с температурой t_h поступает в сопло эжектора Э. При расширении в нем пара получаемая кинетическая энергия расходуется на подсос пара низкого давления Р_и, выходящего из испарителя И, и на сжатие образовавшейся смеси в диффузоре эжектора до давления Р_к , т.е. до давления конденсации пара в конденсаторе К. Расширение пара в сопле и затем сжатие смеси в диффузоре эжектора до давления Р_к, т.е. до давления конденсации пара в конденсаторе К. Расширение пара в сопле и затем сжатие смеси в диффузоре эжектора связано с высокими энергетическими потерями. В конденсаторе К пар с давлением Р_к, охлаждается внешним источником с температурой t_w и конденсируется. Часть конденсата насосом Н подается в котел К_m для генерации пара высокого давления, часть дросселируется в регулирующем вентиле РВ и направляется в испаритель для охлаждения охлаждаемой среды, имеющей температуру t_s. Пары, выходящие из испарителя, опять подсасываются эжектором.

Пароэжекторная холодильная машина на рисунке 9.

Рис. 9. Пароэжекторная холодильная машина

Рабочим веществом ПЭХМ преимущественно является вода, в последнее время стали применяться хладоны. Вода как холодильный агент обладает высокими термодинамическими, эксплуатационными и экономическими показателями. Относительными недостатками её является высокий удельный объем и то, что возможность получения низких температур (- 10 ⁰С) связана с созданием глубокого вакуума в испарителе (- 0,001МПа). Перемещение больших масс водяного пара с помощью поршневых или радиальных компрессоров практически невозможно из-за необходимости применения поршней (рабочих колес) огромных размеров. К тому же конструкции их заметно усложняются из-за необходимости работать в условиях глубокого вакуума. Применение же эжектора в этих условиях позволяет получить относительно компактную надежную в эксплуатации машину. Однако следует отметить, что эжектор как нагнетатель имеет высокие энергетические потери и соответственно низкий КПД.

Пароэжекторные холодильные машины нашли применение в системах кондиционирования воздуха на судах с парогенераторными энергетическими установками и на предприятиях, располагающих высокотемпературными вторичными энергетическими ресурсами.

ПЭХМ представляет собой систему совмещенных неразделимых процессов прямого и обратного цикла, Котел, двигатель-эжектор, конденсатор и насос составляют элементы прямого теплового цикла пароэнергетической установки. Холодильный обратный цикл реализуется при перемещении рабочего вещества последовательно через компрессор-эжектор, конденсатор, регулирующий вентиль и испаритель.

Теоретический цикл ПЭХМ представлен на рисунке 10.

Рис. 10. Теоретический цикл ПЭХМ

Рабочий пар из котла давлением P_km - точка1 расширяется изоэнтропно в насадке эжектора до давления Р_и, процесс 1 - 2. Из испарителя подсасывается холодный насыщенный пар с параметрами точки 9. Процесс смешения идет по линии, соединяющей точки 2 и 9. Положение точки смеси 3 определяется коэффициентом подмешивания эжектора. Точка 3 разделяет отрезок 2 - 9 в соотношении обратно пропорциональном массе смешивающихся потоков пара. Влажный пар, образованный смешением потоков, поступающих из сопла и от испарителя, далее сжимается в диффузоре процесс 3 - 4. Конденсация пара в конденсаторе – процесс 4 - 5. Процесс 5 - 8 – дросселирование части конденсата, поступающего в испаритель. Далее осуществляется кипение хладагента в испарителе процесс 8 - 9. В прямом цикле далее осуществляется сжатие рабочего вещества в насосе процесс 5 - 6, а 6 – 7 - 1 – процесс нагрева и испарения рабочего вещества в парогенераторе. Итак, прямой цикл совершается по круговому процессу 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 - 1, круговой процесс 9 – 3 – 4 – 5 – 8 - 9 является обратным (холодильным циклом).

Задание для самостоятельной работы

1. Назначение теплового насоса.

2. Классификация тепловых насосов.

3. Компрессионные тепловые насосы, отличительные особенности.

4. Абсорбционные тепловые насосы, принцип работы.

5. Струйные тепловые насосы преимущества перед другими ТН.

6. Наиболее применяемые ТН в современном мире.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

Цель работы

Целью данной работы является построения цикла работы холодильной машины на i - lg p диаграмме.

Теоретический материал

Для определения состояния вещества пользуются параметрами состояния, которыми являются величины, однозначно определяющие его:p, t, v, i, s. Для хладагента в идеально газовом состоянии уравнение связи между параметрами р × v = R × Т. Для реальных хладагентов уравнения состояния довольно сложны, поэтому связь между параметрами для удобства технических расчетов представляется графически в двухмерной системе координат.

Рис. 11. Схема холодильной машины и цикл в диаграмме i - lgp

Изображение на рисунке цикла холодильной машины в диаграмме для требуемого хладагента начинается с нанесения изотермы кипения хладагента в испарителе, которая в области влажного пара совпадает с линией постоянного давления. На пересечении этой линии с пограничной кривой х = 1 определяется точка 1¢, характеризует состояние сухого насыщенного пара. После этого пар хладагента перегревается в испарителе, трубопроводе или регенеративном теплообменнике на пути из испарителя в компрессор. Состояние хладагента, поступающего в компрессор точка 1, находится на пересечении изобары р_о с изотермой, соответствующей температуре пара, всасываемого компрессором (t₁ = t_о + Dt_пер). Для аммиачных (R717) холодильных машин величину перегрева выбирают в пределах Dt_пер = 5 ¸ 10 °С. Во фреоновых холодильных машинах перегрев хладагента происходит в регенеративном теплообменнике:

для R 22, R 404a, R 407C - Dt_пер = 10 ¸ 20 °С,

для R 12, R 134а - Dt_пер = 20 ¸ 40 °С.

Состояние хладагента после компрессора точка 2 на пересечении адиабаты s = const с изобарой р_к, соответствующей температуре конденсации t_к. Состояние насыщенной жидкости характеризуется точкой 3¢. Состояние переохлажденной жидкости t_u точка 3 находится как точка пересечения изобары конденсации и изотермы t_u. Для аммиачных холодильных машин, имеющих конденсаторы с водяным охлаждением t_u = t_к - (1 ¸ 3) °С. Для фреоновых холодильных машин из теплового баланса регенеративного теплообменника определяется энтальпия точки 3 (рисунок. 14).

i₃ = i_3¢ - (i₁ - i_1¢),

По диаграмме на пересечении изобары конденсации и изоэнтальпы i₃ точки 3, рисунок 12 определяет температуру.

Рис. 12. Схема холодильной машины работающей

по регенеративному циклу

Состояние хладагента после дросселирования точка 4 находится на пересечении изоэнтальпы i₃ и изобары кипения р_о.

Все параметры цикла вносятся в таблицу 2.

Таблица 2 - Параметры точек цикла

Точки	Параметры
р, бар	t, °С	v, м3/кг	i, Дж/кг	х
1¢
3¢

Порядок расчета

Удельная массовая холодопроизводительность, кДж/кг:

q_о = i_1¢ - i₄.

Удельная объемная холодопроизводительность, кДж/м³:

,

Масса хладагента, всасываемая компрессором, кг/с:

.

Объем паров, отсасываемых компрессором из испарителя, м³/с:

V_д = М_а × v₁.

Коэффициент подачи компрессоров:

Теоретический объем, описываемый поршнями компрессора, м³/с:

Отклонение V_h подобранных одного или нескольких компрессоров по сравнению с расчетным значением должно составить 5 - 10 % в большую сторону.

Теоретическая мощность, затрачиваемая на сжатие холодильного агента, кВт:

N_а = М_а × (i₂ - i₁).

Индикаторная мощность, кВт:

,

где h_i = индикаторный КПД, определяемый как f(р_к/р_о)

Мощность трения, кВт:

N_тр = р_тр × V_h,

где р_тр - удельное давление трения; для холодильных машин, работающих на R717 и R22, р_тр = 60 кПа, работающих на R134а - р_тр = 40 кПа.

Мощность электродвигателя компрессора увеличиваем на пусковые моменты (на 10 ÷ 15%), кВт:

N_эл = (1,1 ÷ 1,15) (N_i + N_тр).

Холодильный коэффициент:

.

Тепловой баланс холодильной машины:

Q_к = Q_о + N_i.

Холодильный компрессор подбирается по холодопроизводительности в стандартном режиме, или в другом режиме. Для этого необходимо перевести холодопроизводительность компрессора из рабочего режима в стандартный или любой другой по формуле:

,

где λ_ст, q - коэффициент подачи и удельная объемная холодопроизводительность в стандартном режиме.

Стандартный режим – это режим раб<