Лабораторная работа № 3. Построение цикла и расчет режимных параметров холодильной машины

Цель работы

Познакомиться с принципом работы и термодинамическим циклом холодильной машины, на основе опытных и расчетных параметров произвести построение холодильного цикла.

Задание

1. Для заданных температурных режимов охлаждения построить действительный термодинамический цикл холодильной машины.

2. Провести сравнительный анализ теоретического и действительного циклов холодильной машины.

3. Рассчитать режимные параметры холодильной машины.

Оборудование

1. Стенд холодильный.

2. Секундомер.

Общие сведения

В современных условиях основные способы холодильного хранения, применяемые на предприятиях пищевой промышленности, торговли и общественного питания, основаны на машинном или искусственном охлаждении. Искусственное охлаждение основано на реализации физического процесса передачи теплоты с более низкого температурного уровня на более высокий, что в соответствии со вторым законом термодинамики требует затраты энергии. Этот процесс может быть осуществлен в результате реализации обратного термодинамического цикла или холодильного цикла. Рабочее тело, участвующее в холодильном цикле и совершающее обратный круговой процесс, называют хладагентом. С экономической и термодинамической точек зрения целесообразно создать циклическое перемещение рабочего тела по замкнутому контуру с многократным его использованием. При этом рабочее тело периодически превращается в жидкость и пар, осуществляя процесс переноса теплоты от охлаждаемого тела (из холодильной камеры) к среде с более высокой температурой (в окружающую среду). Устройство, позволяющее реализовать холодильный цикл, называется холодильной машиной.

Холодильные машины, в которых рабочее тело остается всегда в газообразном виде и не изменяет агрегатного состояния, называются газовыми. Если в качестве рабочего тела используется воздух, то такие машины носят название воздушных холодильных машин.

Холодильные машины, в которых для получения искусственного охлаждения используется кипение жидких хладагентов при низких температурах, получили название парожидкостных или паровых холодильных машин.

На предприятиях пищевой промышленности, торговли и общественного питания наиболее часто используют холодильное оборудование, оснащенное компрессионными холодильными машинами, в которых процесс сжатия паров хладагента осуществляется компрессором. В основу работы компрессионной холодильной машины положено свойство рабочего вещества кипеть при низкой температуре, поглощая тепло из окружающей среды (охлаждаемого объема).

Компрессионная холодильная машина – это совокупность технических устройств, необходимых для осуществления холодильного цикла с целью понижения температуры охлаждаемого объема и поддержания этой температуры в течение заданного времени. На рис. 1 приведена принципиальная схема парожидкостной компрессионной холодильной машины.

Рис.1. Принципиальная схема парожидкостной компрессионной холодильной машины

Холодильная машина (см. рис. 1) состоит из основных и вспомогательных частей. К основным элементам относятся: компрессор – это машина, служащая для сжатия паров хладагента; конденсатор – это теплообменный аппарат, в котором сжатые пары хладагента охлаждаются, отдавая тепло в окружающую среду, и конденсируются, то есть переходят в жидкое состояние; испаритель – это теплообменный аппарат, в котором кипит жидкий хладагент при низкой температуре (и низком давлении), переходя в парообразное состояние и поглощая при этом тепло из окружающей среды (из холодильной камеры); регулирующий вентиль – это устройство, служащее для регулирования подачи жидкого хладагента из конденсатора в испаритель путем дросселирования последнего, то есть понижения давления хладагента, а, следовательно, и температуры. Все элементы соединены последо­вательно трубопроводами в замкнутую герметичную сис­тему. Внутренний объем сис­темы заполнен хладагентом. В охлаждаемом объеме установлен испаритель хо­лодильной машины. Под дей­ствием теплопритоков q₀хла­дагент кипит в испарителе при низком давлении P₀.Пары хла­дагента поступают в компрессор и сжимаются с давления P₀до P_к.Для сжатия хладагента затрачивается работа ℓ_сж. В процессе сжа­тия температура хладагента повышается с Т₀ до Т_к.Сжатый парооб­разный хладагент нагнетается в конденсатор.В нем от хладаген­та отводится теплота, и хладагент из состояния насыщенного пара переходит в жидкое состояние, то есть конденсируется. Жидкий хлад­агент поступает в детандер (поршневая или турбинная машина для охлаждения газа за счет его расширения с совершением внешней работы), где он адиабатически расширяется до давления Р₀.В процессе расширения температура хладагента пони­жается с Т_K до Т₀.Хладагент низкого давления с низкой температурой подается в испаритель,где он кипит, отводя теплоту из охлажда­емого объема.Холодильный цикл замкнулся.

В испарителе и конденсаторе хладагент претерпевает фазовые превращения. В этих процессах давление и температура хладагента взаимосвязаны. Низкое давление в испарителе P₀поддерживается компрессором, который непрерывно отсасывает пары хладагента, сжимает их до давления P_к и подает в конденсатор. В конденсаторе при охлаждении воздухом или водой отводится теплота q и при давлении P_к и температуре Т_к происходит конденсация паров хладагента.

Давление кипения P₀выбирается таким образом, что­бы температура кипения хла­дагента в испарителе была ниже температуры охлажда­емого объема.Давле­ние конденсации P_к должно быть выбрано таким, чтобы температура конденсации Т_к была выше темпе­ратуры охлаждающей кон­денсатор среды (воды или воздуха).

Первый закон термодинамики устанавливает принцип эквивалентности теплоты и механической энергии: «Часть теплоты, подведенной извне к замкнутой термодинамической системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение внешней механической работы», то есть:

. (1)

Здесь L – механическая работа, Н×м; А – термический эквивалент механической работы, в Международной системе единиц СИ 1 Дж теплоты равен 1 Дж работы, тогда А = 1.

Поделив уравнение (1) на массу рабочего тела М кг, получим уравнение первого закона термодинамики для удельных (отнесенных к 1 кг рабочего тела) энергий:

ℓ . (2)

В соответствии со вторым законом термодинамики теплота не может сама собой (без затраты работы) переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой. Поэтому, если в изотермическом процессе испарения рабочего тела подводить теплоту q₀, а в изотермическом процессе конденсации отводить теплоту q, то осуществляется обратный цикл Карно. Подобный цикл, в котором происходит процесс передачи теплоты с низкого температурного уровня на более высокий, реализуется в холодильных машинах и носит название холодильного цикла.

В термодинамической диаграмме Т – s (обратный цикл Карно), представленной на рис. 2, по оси ординат откладывают температуру в градусах Кельвина, а по оси абсцисс – удельную энтропию s в Дж/кг×К.

Энтропия S, являясь мерой интенсивности тепловой энергии, представляет собой функцию состояния термодинамической системы, которая характеризует направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой:

. (3)

Здесь – теплота термодинамической системы, Дж; – абсолютная температура, К.

Энтропия наравне с давлением, удельным объемом и температурой, являясь функцией состояния рабочего тела, изменяется при изменении всех или некоторых из этих параметров. Чем меньше изменение энтропии в процессе, тем совершеннее процесс.

Поле диаграммы (см. рис. 2) разделено на три области двумя пограничными кривыми, сходящимися в верхней критической точке К, соответствующей критической температуре. При температуре сверх критической перегретый пар (газ) не может быть обращен в жидкость ни при каком увеличении давления.

Левая пограничная кривая x = 0 отделяет область влажного пара (под кривой) от области переохлажденной жидкости (над кривой). Здесь x – степень сухости пара – показывает, какое количество сухого пара содержится в 1 кг влажного пара.

Правая пограничная кривая x = 1 разделяет область влажного пара (под кривой) и область перегретого пара (над кривой). Между двумя пограничными кривыми находится область влажного пара, для которой горизонтальные изотермы совпадают с изобарами. На кривой x = 0 лежат точки, характеризующие состояние жидкости, а на кривой x = 1 – точки, характеризующие состояние сухого насыщенного пара.

Цикл паровой холодильной машины (цикл Карно) представлен двумя линиями постоянной температуры (изотермами Т = const) и двумя линиями постоянной энтропии (s = const) и может быть рассмотрен в виде четырех последовательных процессов.

Процесс 1 – 2 — адиабатическое сжатие паров хладагента.Компрессор, непрерывно отсасывая пары хладагента из испарителя, сжимает их с давления Р₀до давления Р_к. В процессе сжатия хладагента температура его повышается с Т₀до Т_к.Для того чтобы сжать хладагент, затрачивается работа ℓ_сж. Далее хладагент поступает в конденсатор.

Процесс 2 – 3 — изотермический процесс конденсации. В конденсаторе при охлаждении воздухом или водой отводится теплота q и при давлении P_к и температуре Т_к происходит конденсация паров хладагента. Врезультате отвода теплоты хладагент из состоя­ния сухого насыщенного пара (точка 2) переходит в состояние насыщенной жидкости (точка 3).

Процесс 3 – 4 — процесс адиабатического расширения жидкого хладагента.Жидкий хладагент поступает в расширительное устройство – детандер, где он адиабатически расширяется до со­стояния, характеризующегося точкой 4.В процессе расширения давление хладагента понижает­ся от Р_к до Р₀,атемпература понижается от Т_к до Т₀ , при этом хладагент производит работу ℓ_расш.

Процесс 4 – 1 — изотермический процесс кипения.В состоянии 4 хладагент (парожидкостная смесь при низком давлении) поступает в испаритель,где он кипит, отводя теплоту от охлаждаемого объема (холодильной камеры, про­дуктов). В процессе кипения температура хладагента остается по­стоянной и равной Т₀.Перейдя в состояние, характеризующееся точкой 1,хладагент подается на всасывание компрессора. Цикл замыкается.

Рис. 2. Обратный цикл Карно в координатах Т – s

Отличительной особенностью термодинамической диаграммы T–s является то, что площадь под процессором равна количе­ству подведенной или отве­денной энергии к хладаген­ту. В соответствии с этим удельная массовая холодопроизводительность q₀ опре­делится площадью под про­цессом 4 – 1,т.е. площадью . Теплота, отведенная от хладагента в конденсаторе q_к (процесс 2 – 3),или удельная массо­вая тепловая нагрузка на конденсатор, определится площадью . Работа ℓ, необходимая для реализации цикла, рав­на разности между затра­ченной работой на сжатие хладагента в компрессо­ре ℓ_сж и работой расширения ℓ_расш, отводимой с вала детандера.

В диаграмме T – s работа цикла выражается площадью 1 – 2 – 3 – 4.

Эффективность цикла паровой холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом ε, представляющим собой от­ношение удельной массовой холодопроизводительности q₀к работе цикла ℓ:

. (4)

Для цикла Карно удельная массовая холодопроизводительность:

. (5)

Работу цикла ℓ, соответствующую площади 1 – 2 – 3 – 4,мож­но вычислить по следующей зависимости:

. (6)

Используя выражение для определения холодильного коэффи­циента ε, запишем:

. (7)

Одним из наиболее сложных для реализации на практике про­цессов является расширение хладагента в детандере. Работа расши­рения ℓ_расш невелика, а сложность изготовления детандера значительна. В большинстве современных холодильных машин детандер за­меняют более простым устройством – регулирующим вентилем. В отличие от детандера регулирующий вентиль прост по устройству и позволяет регулировать подачу хладагента в испари­тель.Замена детандера нарегулирующий вентиль приводит к тому, что вмес­то расширения хладагента реализуется процесс дроссе­лирования и изображение холодильного цикла изменяется, что и показано на рис. 3. Дросселирование ­– это ограничение поперечного сечения потока, вызывающее понижение давления в результате внутреннего и внешнего трения без потери теплоты или производительности. Удельная массовая холодопроизводительность цикла q₀при дросселировании уменьшается на Δq₀.

В цикле Карно сжатие хладагента осуществляется в области влажного пара, т. е. при наличии капельной жидкости в хладагенте. На практике реализовать такой процесс невозможно, так как попадание жидкого хладагента в цилиндр ком­прессора приводит к гид­равлическому удару и раз­рушению компрессора. Для исключения этого явления процесс сжатия переводят в область перегретого пара. Перегрев пара в охлаждаемом объеме происходит в конце испарителя или во всасывающем трубопроводе, смонтированном в этом пространстве, или в том и другом месте сразу.

Рис. 3. Цикл паровой холодильной машины с регулирующим вентилем

На практике для предотвращения поступления жидкого хладагента в компрессор регулятор расхода настраивают таким образом, чтобы жидкость выкипела полностью до выхода из испарителя. Холодный пар в этом случае продолжает поглощать теплоту и перегревается в конце испарителя. Теплота для перегрева пара отводится из охлаждаемого объема и поэтому производится полезное охлаждение, при этом удельная холодопроизводительность (на единицу массы хладагента) увеличивается на величину, равную количеству поглощаемой теплоты при перегреве. КПД цикла также несколько увеличивается. Однако чрезмерный перегрев всасываемого пара необходимо ограничивать до величины, требуемой для нормальной работы регулятора, так как независимо от повышения КПД чрезмерный перегрев пара неэкономичен.

На рис. 4 приведен цикл паровой холодильной машины с процессом сжатия в области перегретого пара. В этом случае удельная массовая холодопроизводительность цик­ла q₀ определится площадью под процессом в испарителе (площадь )4. Удельная массовая работа сжатия ℓ будет про­порциональна площади 1' – 2' – 2 – 3 – 4' – 1' (см. рис. 4) .

Холодильный коэффициент цикла в этом случае:

. (8)

Рис. 4. Цикл паровой холодильной машины с процессом сжатия в области перегретого пара

Описание стенда

Стенд выполнен в виде вертикальной стойки, на которой закреплен холодильный агрегат, в качестве холодильной камеры служит холодильный ларь.

Холодильный агрегат, технологическая схема которого показана на рис. 5, представляет собой замкнутую герметичную систему, которая состоит из компрессора, конденсатора, испарителя, фильтра-осушителя, манометра, мановакуумметра, регулирующего вентиля, трубопроводов. Конденсатор ребристо-трубного типа конвективного воздушного охлаждения. Фильтр-осушитель осуществляет очистку хладагента от влаги и механических примесей. Смотровое окно позволяет визуально наблюдать агрегатное состояние и степень чистоты хладагента. Все электрические приборы пусковой и защитной автоматической аппаратуры холодильного агрегата закреплены на лицевой панели вертикальной стойки либо внутри её. Испаритель холодильного агрегата расположен в холодильном ларе. В качестве рабочего тела используется хладагент R134а.

Согласно технологической схеме приняты температуры в следующих характерных точках схемы: t₁ – температура на выходе из компрессора (на входе в конденсатор); t₂ – температура на выходе из конденсатора; t₃ –температура на входе в испаритель; t₄ – температура в испарителе; t₅ – температура на выходе из испарителя. Температура воздуха в холодильной камере (холодильном ларе) устанавливается при помощи датчика – реле температуры t₆ (на рисунке не показано); температура продуктов – t₇– t₁₀.

Рис. 5. Технологическая схема холодильного агрегата

Порядок выполнения работы

1. После включения стенда, зафиксировав время включения, через принятый интервал времени Δτ (2…3 минуты) записать значения температур t₁, t₂, t₄. Эксперимент продолжать до тех пор, пока температура в морозильной камере t₆ не достигнет заданной величины. Данные занести в табл. П2.5 приложения 2.

2. По результатам эксперимента рассчитать средние значения температур:

; (9)

; (10)

. (11)

В дальнейшем найденные средние параметры использовать в обозначениях ; ; .

3. На поле T – s диаграммы (см. рис. 4) нанести линии постоянной температуры (изотермы Т₀ =const и Т_к =const), определив температуры Т₀ и Т_к в градусах Кельвина:

. (12)

. (13)

4. Для температуры Т₀ по табл. П3.1 «Характеристики R134a на линии насыщения» или по T-s диаграмме для хладагента R134a (см. приложение 3) определить энтропию парообразного хладагента s_1'. Эти и последующие данные занести в табл. П2.6 приложения 2.По значениям энтропии s_1' и температуры Т₀ определить местоположение точки 1' на изотерме Т₀=const диаграммы (см. рис. 4).

5. Из точки 1' провести линию постоянной энтропии s_1'=const (вертикальную прямую), на которой отметить точку 2' для температуры Т_{2 '} :

. (14)

6. Для температуры Т_к по табл. П3.1 «Характеристики R134a на линии насыщения» или по T-s диаграмме для хладагента R134a (см. приложение 3)определить энтропию парообразного хладагента s₂ для точки 2. По значениям энтропии s₂ и температуре Т_к нанести точку 2 на изотерме Т_к =const диаграммы.

7. Энтропию s₃ точки 3 определить по табл. П3.1 «Характеристики R134a на линии насыщения» или по T-s диаграмме для жидкого хладагента. Нанести точку 3

на изотерме Т_к =const диаграммы.

8. Точка 4' находится в области влажного пара и лежит на изотерме Т₀ =const. Энтропию этой точки s_4' можно определить по следующему выражению:

. (15)

Здесь s₅ – энтропия на линии насыщения при х = 0 (энтропия жидкого хладагента), определить для температуры Т₀по табл. П3.1 «Характеристики R134a на линии насыщения» или по T-s диаграмме для хладагента R134a (см. приложение 3); x – степень сухости, находится по T-s диаграмме хладагента R134a (см. приложение 3).

9. Графическим способом определить удельную холодопроизводительность цик­ла q₀ (площадь ) – см. рис. 4.

10. Графическим способом определить удельную массовую работу сжатия ℓ (площадь 1' – 2' – 2 – 3 – 4' – 1') – см. рис. 4.

11. По формуле (8) определить холодильный коэффициент цикла.

12. Провести сравнительный анализ теоретического и действительного циклов холодильной машины.

13. По указанной ниже форме составить письменный отчет.

Форма отчета

1. Название лабораторной работы.

2. Цель работы.

3. Оборудование.

4. Общие сведения.

5. Сводные таблицы исходных данных и полученных результатов.

6. Диаграмма действительного термодинамического цикла холодильной машины.

7. Режимные параметры холодильной машины.

8. Выводы по работе.