Конденсатор для холодильной установки иф 56. Определение характеристик холодильной установки

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

_____________________________________________________________

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Методические указания

для студентов ФЭН всех форм обучения

Новосибирск
2010

УДК 621.565(07)

Составил: канд. техн. наук, доц. ,

Рецензент: д-р техн. наук, проф.

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

1.1. 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 = q 1 – q 2 = l , (1.1)

где q 1 – теплота, отданная горячему источнику; q 2 – теплота, отнятая от холодного источника; l – механическая работа компрессора.

Из (1.1) следует, что горячему источнику передается теплота

q 1 = q 2 + l , (1.2)

a холодильный коэффициент представляет собой долю теплоты q 2, 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 t 2 = const от холодного источника к рабочему телу:

q 2 = T 2 · (s 1 – s 4) = T 2 · Ds (1.4)

и теплота, отданная при t 1 = const от рабочего тела к холодному источнику:

q 1 = T 1 · (s 2 – s 3) = T 1 · Ds, (1.5)

В обратном цикле Карно: 1-2 – адиабатическое сжатие рабочего тела, в результате которого температура рабочего тела Т 2 становится выше температуры Т гор горячего источника; 2-3 – изотермический отвод теплоты q 1 от рабочего тела к горячему источнику; 3-4 – адиабатическое расширение рабочего тела; 4-1 – изотермический подвод теплоты q 2 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:

Чем выше значение e, тем более эффективен цикл холодильной установки и тем меньшая работа l потребуется для передачи теплоты q 2 от холодного источника к горячему.

1.2. 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 t 0 £ 0 oC, причем при отрицательных температурах кипения давление кипения p 0 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 t 0 = -34 оС, p 0 = 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 p 0 = 1 бар; t 0 = -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 , разрешено только использование уже произведенного R12 или извлеченного из оборудования.

2. работа холодильной установки ИФ-56

2.1. холодильнЫЙ агрегат

Агрегат ИФ-56 предназначен для охлаждения воздуха в холодильной камере 9 (рис. 2.1).

Вентилятор" href="/text/category/ventilyator/" rel="bookmark">вентилятор ; 4 – ресивер; 5 –конденсатор;

6 – фильтр-осушитель; 7 – дроссель; 8 – испаритель; 9 – холодильная камера

Рис. 2.2. Цикл холодильной установки

В процессе дросселирования жидкого фреона в дросселе 7 (процесс 4-5 в ph -диаграмме) он частично испаряется, основное же испарение фреона происходит в испарителе 8 за счет теплоты, отнимаемой от воздуха в холодильной камере (изобарно-изотермический процесс 5-6 при p 0 = const и t 0 = const ). Перегретый пар с температурой поступает в компрессор 1, где сжимается от давления p 0 до давления p К (политропное, действительное сжатие 1-2д). На рис. 2.2 также изображено теоретическое, адиабатное сжатие 1-2А при s 1 = const ..gif" width="16" height="25"> (процесс 4*-4). Жидкий фреон стекает в ресивер 5, откуда через фильтр-осушитель 6 поступает к дросселю 7.

Технические данные

Испаритель 8 состоит из оребренных батарей – конвекторов. Батареи снабжены дросселем 7 с терморегулирующим вентилем . Конденсатор 4 с принудительным воздушным охлаждением, производительность вентилятора V В = 0,61 м3/с.

На рис. 2.3 показан действительный цикл парокомпрессионной холодильной установки, построенной по результатам ее испытаний: 1-2а – адиабатное (теоретическое) сжатие паров холодильного агента; 1-2д – дейст-вительное сжатие в компрессоре; 2д-3 – изобарное охлаждение паров до
температуры конденсации t К; 3-4* – изобарно-изотермическая конденсация паров холодильного агента в конденсаторе; 4*-4 – переохлаждение конденсата;
4-5 – дросселирование (h 5 = h 4), в результате которого жидкий холодильный агент частично испаряется; 5-6 – изобарно-изотермическое испарение в испарителе холодильной камеры; 6-1 – изобарный перегрев сухого насыщенного пара (точка 6, х = 1) до температуры t 1.

Рис. 2.3. Цикл холодильной установки в ph -диаграмме

2.2. эксплуатационные характеристики

Основными эксплуатационными характеристиками холодильной установки являются холодопроизводительность Q , потребляемая мощность N , расход холодильного агента G и удельная холодопроизводительность q . Холодопроизводительность определяется по формуле, кВт:

Q = Gq = G (h 1 – h 4), (2.1)

где G – расход холодильного агента, кг/с; h 1 – энтальпия пара на выходе из испарителя, кДж/кг; h 4 – энтальпия жидкого холодильного агента перед дросселем, кДж/кг; q = h 1 – h 4 – удельная холодопроизводительность, кДж/кг.

Используется также и удельная объемная холодопроизводительность, кДж/м3:

q v = q / v 1 = (h 1 – h 4)/v 1. (2.2)

Здесь v 1 – удельный объем пара на выходе из испарителя, м3/кг.

Расход холодильного агента находится по формуле, кг/с:

G = Q К/( h 2Д – h 4), (2.3)

Q = c ’pm V В(t В2 – t В1). (2.4)

Здесь V В = 0,61 м3/с – производительность вентилятора, охлаждающего конденсатор; t В1, t В2 – температуры воздуха на входе и выходе из конденсатора, ºС; c ’pm – средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(м3·К):

c ’pm = (μcpm )/(μv 0), (2.5)

где (μv 0) = 22,4 м3/кмоль – объем кило моля воздуха при нормальных физических условиях; (μcpm ) – средняя изобарная мольная теплоемкость воздуха, которая определяется по эмпирической формуле, кДж/(кмоль·К):

(μcpm ) = 29,1 + 5,6·10-4(t В1 + t В2). (2.6)

Теоретическая мощность адиабатного сжатия паров холодильного агента в процессе 1-2А, кВт:

N А = G /( h 2А – h 1), (2.7)

Относительные адиабатная и действительная холодопроизводительности:

k А = Q /N А; (2.8)

k = Q /N , (2.9)

представляющие собой теплоту, передаваемую от холодного источника к горячему, на единицу теоретической мощности (адиабатной) и действительной (электрической мощности привода компрессора). Холодильный коэффициент имеет тот же физический смысл и определяется по формуле:

ε = (h 1 – h 4)/(h 2Д – h 1). (2.10)

3. Испытания холодильной установки

После запуска холодильной установки необходимо дождаться установления стационарного режима (t 1 = const, t 2Д = const), после чего измерить все показания приборов и занести в таблицу замеров 3.1, по результатам которой построить цикл холодильной установки в ph - и ts -координатах с помощью паровой диаграммы для фреона-12, изображенной на рис. 2.2. Расчет основных характеристик холодильной установки выполняется в табл. 3.2. Температуры испарения t 0 и конденсации t К находят в зависимости от давлений p 0 и p К по табл. 3.3. Абсолютные давления p 0 и p К определяют по формулам, бар:

p 0 = B /750 + 0,981p 0М, (3.1)

p К = B /750 + 0,981p КМ, (3.2)

где В – атмосферное давление по барометру , мм. рт. ст.; p 0М – избыточное давление испарения по манометру, ати; p КМ – избыточное давление конденсации по манометру, ати.

Таблица 3.1

Результаты замеров

	Величина	Размер-ность	Значение	Примечание
	Давление испарения, p 0М			по манометру
	Давление конденсации, p КМ			по манометру
	Температура в холодильной камере, t ХК			по термопаре 1
	Температура паров хладагента перед компрессором, t 1			по термопаре 3
	Температура паров хладагента после компрессора, t 2Д			по термопаре 4
	Температура конденсата после конденсатора, t 4			по термопаре 5
	Температура воздуха после конденсатора, t В2			по термопаре 6
	Температура воздуха перед конденсатором, t В1			по термопаре 7
	Мощность привода компрессора, N			по ваттметру
	Давление испарения, p 0			по формуле (3.1)
	Температура испарения, t 0			по табл. (3.3)
	Давление конденсации, p К			по формуле (3.2)
	Температура конденсации, t К			по табл. 3.3
	Энтальпия паров хладагента перед компрессором, h 1 = f (p 0, t 1)			по ph -диаграмме
	Энтальпия паров хладагента после компрессора, h 2Д = f (p К, t 2Д)			по ph -диаграмме
	Энтальпия паров хладагента после адиабатного сжатия, h 2А			по ph- диаграмме
	Энтальпия конденсата после конденсатора, h 4 = f (t 4)			по ph- диаграмме
	Удельный объем пара перед компрессором, v 1=f (p 0, t 1)			по ph -диаграмме
	Расход воздуха через конденсатор V В			По паспорту вентилятора

Таблица 3.2

Расчет основных характеристик холодильной установки

К

	Величина	Размерность		Значение
	Средняя мольная теплоемкость воздуха, (mс pm )	кДж/(кмоль×К)	29,1 + 5,6×10-4(t В1 + t В2)
	Объемная теплоемкость воздуха, с ¢p m	кДж/(м3×К)	(mсp m) / 22,4
	c ¢p mV В(t В2 – t В1)
	Расход холодильного агента, G		Q К / (h 2Д – h 4)
	Удельная холодопроизводительность, q		h 1 – h 4
	Холодопроизводительность, Q		Gq
	Удельная объемная холодопроизводительность, qV		Q / v 1
	Адиабатическая мощность, N a		G (h 2А – h 1)
	Относительная адиабатическая холодопроизводительность, К А		Q / N А
	Относительная реальная холодопроизводительность, К		Q / N
	Холодильный коэффициент, e		q / (h 2Д – h 1)

Таблица 3.3

Давления насыщения фреона-12 (CF 2 Cl 2 – дифтордихлорметана)

40

1. Схема и описание холодильной установки.

2. Таблицы замеров и расчетов.

3. Выполненное задание.

Задание

1. Построить цикл холодильной установки в ph -диаграмме (рис. П.1).

2. Составить табл. 3.4, воспользовавшись ph -диаграммой.

Таблица 3.4

Исходные данные для построения цикла холодильной установки в ts -координатах

2. Построить цикл холодильной установки в ts -диаграмме (рис. П.2).

3. Определить значение холодильного коэффициента обратного цикла Карно по формуле (1.6) для Т 1 = Т К и Т 2 = Т 0 и сравнить его с холодильным коэффициентом реальной установки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шаров, Ю. И. Сравнение циклов холодильных установок на альтернативных хладагентах / // Энергетика и теплоэнергетика . – Новосибирск: НГТУ. – 2003. – Вып. 7, – С. 194-198.

2. Кириллин, В. А. Техническая термодинамика / , . – М.: Энергия, 1974. – 447 с.

3. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / . – М.: наука, 1972. – 720 с.

4. Андрющенко, А. И. Основы технической термодинамики реальных процессов / . – М.: Высшая школа, 1975.

ХолодильнЫЙ агрегат

Агрегат ИФ-56 предназначен для охлаждения воздуха в холодильной камере 9 (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Холодильная установка ИФ-56

1 – компрессор; 2 – электродвигатель; 3 – вентилятор; 4 – ресивер; 5 –конденсатор;

6 – фильтр-осушитель; 7 – дроссель; 8 – испаритель; 9 – холодильная камера

Рис. 2.2. Цикл холодильной установки

В процессе дросселирования жидкого фреона в дросселе 7 (процесс 4-5 в ph -диаграмме) он частично испаряется, основное же испарение фреона происходит в испарителе 8 за счет теплоты, отнимаемой от воздуха в холодильной камере (изобарно-изотермический процесс 5-6 при p 0 = const и t 0 = const ). Перегретый пар с температурой поступает в компрессор 1, где сжимается от давления p 0 до давления p К (политропное, действительное сжатие 1-2д). На рис. 2.2 также изображено теоретическое, адиабатное сжатие 1-2 А при s 1 = const . В конденсаторе 4 пары фреона охлаждаются до температуры конденсации (процесс 2д-3), затем конденсируются (изобарно-изотермический процесс 3-4* при p К = const и t К = const . При этом жидкий фреон переохлаждается до температуры (процесс 4*-4). Жидкий фреон стекает в ресивер 5, откуда через фильтр-осушитель 6 поступает к дросселю 7.

Технические данные

Испаритель 8 состоит из оребренных батарей – конвекторов. Батареи снабжены дросселем 7 с терморегулирующим вентилем. Конденсатор 4 с принудительным воздушным охлаждением, производительность вентилятора V В = 0,61 м 3 /с.

На рис. 2.3 показан действительный цикл парокомпрессионной холодильной установки, построенной по результатам ее испытаний: 1-2а – адиабатное (теоретическое) сжатие паров холодильного агента; 1-2д – дейст-вительное сжатие в компрессоре; 2д-3 – изобарное охлаждение паров до
температуры конденсации t К; 3-4 * – изобарно-изотермическая конденсация паров холодильного агента в конденсаторе; 4 * -4 – переохлаждение конденсата;
4-5 – дросселирование (h 5 = h 4), в результате которого жидкий холодильный агент частично испаряется; 5-6 – изобарно-изотермическое испарение в испарителе холодильной камеры; 6-1 – изобарный перегрев сухого насыщенного пара (точка 6, х = 1) до температуры t 1 .

Рис. 2.3. Цикл холодильной установки в ph -диаграмме

Эксплуатационные характеристики

Основными эксплуатационными характеристиками холодильной установки являются холодопроизводительность Q , потребляемая мощность N , расход холодильного агента G и удельная холодопроизводительность q . Холодопроизводительность определяется по формуле, кВт:

Q = Gq = G (h 1 – h 4), (2.1)

где G – расход холодильного агента, кг/с; h 1 – энтальпия пара на выходе из испарителя, кДж/кг; h 4 – энтальпия жидкого холодильного агента перед дросселем, кДж/кг; q = h 1 – h 4 – удельная холодопроизводительность, кДж/кг.

Используется также и удельная объемная холодопроизводительность, кДж/м 3:

q v = q/v 1 = (h 1 – h 4)/v 1 . (2.2)

Здесь v 1 – удельный объем пара на выходе из испарителя, м 3 /кг.

Расход холодильного агента находится по формуле, кг/с:

G = Q К /( h 2Д – h 4), (2.3)

Q = c ’ pm V В (t В2 – t В1). (2.4)

Здесь V В = 0,61 м 3 /с – производительность вентилятора, охлаждающего конденсатор; t В1 , t В2 – температуры воздуха на входе и выходе из конденсатора, ºС; c ’ pm – средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(м 3 ·К):

c ’ pm = (μc pm )/(μv 0), (2.5)

где (μv 0) = 22,4 м 3 /кмоль – объем кило моля воздуха при нормальных физических условиях; (μc pm ) – средняя изобарная мольная теплоемкость воздуха, которая определяется по эмпирической формуле, кДж/(кмоль·К):

(μc pm ) = 29,1 + 5,6·10 -4 (t В1 + t В2). (2.6)

Теоретическая мощность адиабатного сжатия паров холодильного агента в процессе 1-2 А, кВт:

N А = G /( h 2А – h 1), (2.7)

Относительные адиабатная и действительная холодопроизводительности:

k А = Q /N А; (2.8)

k = Q /N , (2.9)

представляющие собой теплоту, передаваемую от холодного источника к горячему, на единицу теоретической мощности (адиабатной) и действительной (электрической мощности привода компрессора). Холодильный коэффициент имеет тот же физический смысл и определяется по формуле.

Агрегат ИФ-56 предназначен для охлаждения воздуха в холодильной камере 9 (рис. 2.1). основными элементами являются: фреоновый поршневой компрессор 1, конденсатор воздушного охлаждения 4, дроссель 7, испарительные батареи 8, фильтр-осушитель 6, заполненный влагопоглотителем – силикогелем, ресивер 5 для сбора конденсата, вентилятор 3 и электродвигатель 2.

Рис. 2.1. Схема холодильной установки ИФ-56:

Технические данные

Марка компрессора
Число цилиндров
Объем, описываемый поршнями, м3/ч
Холодильный агент
Холодопроизводительность, кВт
при t0 = -15 °С: tк = 30 °С
при t0 = +5 °С tк = 35 °С
Мощность электродвигателя, кВт
Наружная поверхность конденсатора, м2
Наружная поверхность испарителя, м2

Испаритель 8 состоит из двух ребристых батарей – конвекторов. батареи снабжены дросселем 7 с терморегулирующим вентилем. Конденсатор 4 с принудительным воздушным охлаждением, производительность вентилятора

VB = 0,61 м3/с.

На рис. 2.2 и 2.3 показан действительный цикл парокомпрессионной холодильной установки, построенной по результатам ее испытаний: 1 – 2а – адиабатное (теоретическое) сжатие паров холодильного агента; 1 – 2д – дейст-вительное сжатие в компрессоре; 2д – 3 – изобарное охлаждение паров до

температуры конденсации tк; 3 – 4* – изобарно-изотермическая конденсация паров холодильного агента в конденсаторе; 4* – 4 – переохлаждение конденсата;

4 – 5 – дросселирование (h5 = h4), в результате которого жидкий холодильный агент частично испаряется; 5 – 6 – изобарно-изотермическое испарение в испарителе холодильной камеры; 6 – 1 – изобарный перегрев сухого насыщенного пара (точка 6, х = 1) до температуры t1.