Холодильные установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Реальная установка

2. Выбор хладагента

3. Построение холодильного цикла и расчёт холодильной установки

3.1 Холодильная установка с охладителем

3.2 Холодильная установка без охладителя

3.3 Холодильная установка с регенератором

3.4 Холодильная установка без охладителя при условии, что температура кипения хладагента понизилась на 5 ⁰С

3.5 Холодильная установка без охладителя при условии, что температура конденсации хладагента повысилась на 5 ⁰С

Заключение

Литература

Введение

Физическая природа тепла и холода одинакова. Тепло является одной из форм энергии, проявляющейся в движении молекул вещества того или иного агрегатного состояния. Тепло - это внутренняя энергия тела, заключающаяся в хаотическом движении его частиц, а различие между тёплыми и холодными телами лишь в скорости движения молекул, составляющих эти тела. При отводе от тела тепла движение молекул замедляется и оно охлаждается. Следовательно, получение холода сводится к уменьшению содержания тепла в твёрдом, жидком или газообразном теле. Охлаждение тела - это отвод от него тепла, обычно оно сопровождается понижением температуры.

Искусственное охлаждение специальная область техники, в значительной степени базирующаяся на основах термодинамики.

Холодильная машина понижает температуру ограниченной среды или тела относительно температуры окружающей среды и поддерживает эту пониженную температуру неопределённо долгое время.

В естественно протекающих процессах теплопередачи между телами тепло переходит от более нагретого к менее нагретому, от тёплого к холодному телу. Поэтому можно понизить температуру заданного тела, если имеется какое-либо естественное охлаждающее средство, т.е. другое тело с температурой ниже заданной (например, для того чтобы охладить горячий чай, вы добавляете в него холодную воду и т.п.). В этом случае достаточно установить контакт между этими телами. Однако естественные охлаждающие средства в большинстве случаев не могут понизить температуру тела до требуемых пределов, и температура их не является стабильной. Следовательно, необходимо прибегнуть к искусственному охлаждению, при котором можно отнять тепло от тел, имеющих температуру ТН, которая ниже температуры окружающей среды ТОС.

Таким образом, холодильными установками называются технические системы, в которых осуществляется отвод тепла от объектов с относительно низкой температурой к приёмникам тепла с более высокой температурой.

Принципиальная схема искусственного охлаждения показана на рис. 1. Охлаждение осуществляется при помощи рабочего вещества или холодильного агента (хладагента), воспринимающего тепло Q0 от охлаждаемой среды (теплоотдатчика) А при низкой температуре ТН. Количества тепла Q0 определяется теплопритоками из окружающей среды Б, температура которой выше температуры охлаждаемой среды ТОС > ТН.

В искусственном охлаждении принимает участие хладагент с более низкой температурой Т0, чем температура до которой охлаждается среда ТН >Т0. Получение холодильного агента с необходимой низкой температурой является особой задачей, которая не может быть решена посредством теплопередачи, предопределяющей наличие естественного охлаждающего средства с ещё более низкой температурой.

Возникает один из основных вопросов холодильной техники - как получить рабочее вещество или хладагент со свойствами, обеспечивающими искусственной охлаждение до требуемых пределов. Чтобы выяснить этот вопрос, необходимо воспользоваться основными положениями термодинамики.

1. Реальная установка

Машина, осуществляющая обратный цикл Карно, является воображаемой. Этот идеальный цикл не может быть воспроизведён в действительных условиях и имеет значение только для совершенствования реальных машин. Рассматривая идеальную машину, мы указывали, что при осуществлении искусственного охлаждения обязательными посредником в передаче тепла от холодного тела к тёплому является рабочее вещество - хладагент. До сих пор хладагент рассматривался не как конкретное вещество, а как идеальный газ, и игнорировались его свойства, так как холодильный коэффициент идеального цикла от природы вещества не зависит. Однако в действительном процессе участвуют вполне определённые рабочие вещества с различными термодинамическими свойствами. В действительных условиях работы холодильной установки вместо детандера применяется дроссельный вентиль, в котором протекают другие термодинамические процессы. Не учитывалось также влияние мёртвого пространства в компрессоре, трение и многие другие явления, которые присутствуют в реальных установках.

Таким образом, действительный процесс значительно отличается от обратного цикла Карно. Наиболее существенными особенностями, характеризующими действительный процесс парожидкостной холодильной установки, являются следующие:

1. в действительном процессе участвуют конкретные холодильные агенты, которые должны удовлетворять определенным требованиям, они существенно влияют на экономичность работы холодильной установки;

2. в реальной установке детандер заменен дроссельным вентилем, что упрощает ее схему, но приводит к увеличению удельного расхода работы, т.е. к снижению холодильного коэффициента установки из-за отсутствия полезной работы детандера и уменьшения количества тепла, подводимого в испарителе установки на единицу расхода рабочего агента. Потери, связанные с заменой детандера дроссельным вентилем, возрастают с увеличением теплоемкости жидкой фазы агента и уменьшением его теплоты парообразования r при давлении Р0. Кроме того, эти потери возрастают с увеличением степени повышения давления в компрессоре Р/Р0 или соответствующего отношения абсолютных температур T/T0;

3. жидкий хладагент перед дроссельным вентилем переохлаждается, что служит одним из способов снижения необратимых потерь, вызванных заменой детандера дроссельным вентилем. Охлаждение увеличивает отвод тепла в испарителе на единицу расхода рабочего агента, вследствие чего несколько снижается расход работы, т.е. возрастает холодильный коэффициент установки;

4. осуществляется сухой процесс в компрессоре, при котором цикл выходит за пределы области насыщенного пара. Замена процесса сжатия влажного пара сжатием перегретого пара повышает надежность работы компрессора благодаря устранению возможности гидравлических ударов, вызванных попаданием жидкости в компрессор. Особенно уязвимы в отношении гидравлических ударов быстроходные поршневые компрессоры, так как за время одного хода, составляющего десятые доли секунды, жидкость, попавшая в компрессор, не успевает испариться. При работе на перегретом паре увеличиваются индикаторный КПД и коэффициент подачи поршневых компрессоров благодаря уменьшению влияния вредного пространства на процесс работы компрессора. С другой стороны, замена сжатия влажного пара сжатием перегретого увеличивает удельную работу сжатия на единицу расхода рабочего агента, что приводит к росту удельного расхода работы на единицу отводимого от объекта тепла. Дополнительная затрата работы в компрессоре возрастает с уменьшением теплоемкости перегретого пара и увеличением степени повышения давления Р/Р0 или соответствующего отношения температур Т/Т0.

5. работа реального компрессора сопровождается различными потерями (например, от трения, наличия мёртвого пространства, депрессии при всасывании хладагента). Схема и термодинамический цикл реальной парожидкостной компрессионной установки показаны на рис.2.

Установка работает следующим образом. Тепло q0 от теплоотдатчика подводится к рабочему агенту в испарителе VI. В результате подвода тепла рабочий агент кипит в испарителе при давлении Р0 и температуре Т0 - процесс 5-1. Пар, полученный в испарителе, поступает в отделитель жидкости V, где он освобождается от капель влаги, а затем засасывается компрессором I.

Рис. 2. Схема и процесс работы реальной компрессионной холодильной установки: а) принципиальная схема; б) T,s - диаграмма; в) p,i - диаграмма

В компрессоре пары рабочего агента сжимаются с давления Р0 до давления Р. Температура насыщения хладагента при этом соответственно повышается с Т0 до Т.

Из-за трения и необратимого теплообмена процесс сжатия в компрессоре 1-2 не совпадает с идеальным процессом сжатия 1-2'.

Из компрессора пар поступает в конденсатор II, где в результате отвода тепла к теплоприемнику происходят охлаждение рабочего агента и конденсация пара - процесс 2-3.

Жидкий хладагент при давлении PК и температуре ТК проходит через охладитель III, где в результате отвода тепла во внешнюю среду температура жидкого хладагента снижается с ТК до ТОХЛ = Т4 - процесс 3-4.

После охладителя жидкий хладагент проходит через дроссельный вентиль IV. Проходя через суженное живое сечение дроссельного вентиля, находящегося на границе между областью высокого PК (конденсатор или охладитель) и низкого P0 (испаритель) давлений, хладагент неравномерно расширяется, и его давление понижается. В данном случае расширение хладагента не сопровождается отдачей работы, так как она поглощается трением и превращается в тепло, воспринимаемое холодильным агентом. Та часть теплоты, которая пошла на частичное испарение хладагента, проходящего через дроссельный вентиль, взята от самого агента. Поэтому дросселирование протекает при i=const - процесс 4-5. Процесс дросселирования сопровождается понижением температуры хладагента.

После дроссельного вентиля охлажденный рабочий агент в виде влажного пара с большим содержанием жидкой фазы, имея давление Р0 и соответствующую ему температуру Т0, проходит через отделитель жидкости, в котором производится отделение жидкой фазы от паровой.

Затем жидкий агент вновь поступает в испаритель VI, где к нему подводится тепло q0 от теплоотдатчика.

2. Выбор хладагента

Хладагенты выбираются исходя из следующих соображений. Расчётная температура кипения t0 должна быть больше нормальной температуры кипения хладагента tS, чтобы давления насыщение было равно или больше атмосферного (во избежание подсоса воздуха в систему).

Критическая температура хладагента tKP должна быть намного больше температуры конденсации tК, с целью снижения необратимых потерь при дросселировании.

Давления конденсации PK и кипения P0 хладагентов существенно влияют на конструкцию компрессора. Высокие давления конца сжатия в компрессоре приводят к утяжелению конструкции. Давление кипения не должно быть очень низким во избежание вакуума и, связанного с этим, проникновением воздуха в систему.

При понижении температуры кипения t0 или повышении температуры конденсации tК хладагента увеличивается степень сжатия в компрессоре и разность давлений PK - P0. Это ведет к ухудшению объемных и энергетических коэффициентов компрессора. Увеличение отношения PK /P0 приводит к:

§ повышению температуры нагнетания, что ужесточает требования к прочности конструкции компрессоров;

§ повышению расхода масла и снижению удельной холодопроизводительности цикла;

§ увеличению необратимых потерь при дросселировании и потерь, связанных с отводом теплоты перегрева хладагента.

Все перечисленные выше факторы являются причинами, по которым необходимо к минимальному отношению давлений конденсации и кипения PK /P0.

Также на объёмную производительность компрессора, а, следовательно, и на мощность потребляемую компрессором, оказывает влияние удельный объём пара хладагента х1 на входе в компрессор. Чем меньше будет его значение, тем меньше будут при прочих равных условиях массогабаритные показатели установки. Исходя из всего выше сказанного, выбираем подходящие хладагенты и заполняем по ним сводную таблицу (см. таблицу 1). Анализируя полученные данные, выбираем хладагент для своей холодильной установки.

Таблица №1

Хладагент	t0, 0С	ts, 0С	tк, 0С	tкр, 0С	Р0, МПа	Рк, МПа	Рк/Р0	х1, кг/м3
R12	-25	- 30	16	112	0,1237	0,5059	4,0897	0,13118
R13		- 82		28,8	0,9892	2,8957	2,9273	0,01591
R22		- 41		96	0,2010	0,8123	4,0413	0,11187
R23		- 82		25,9	1,1955	3,7869	3,1676	0,01957
R134a		- 26,5		101,1	0,1067	0,5042	4,7254	0,1803
R152a		- 25		98	0,1013	0,4545	4,4867	0,2979
R401a		- 27		108,01	0,1095	0,5066	4,6265	0,19319
R717		- 33,5		132,50	0,1515	0,7530	4,9703	0,77046
R1270		- 89		32,73	1,2404	3,4745	2,8011	0,0442

t0 - температура кипения;

ts - температура насыщения;

tк - температура конденсации;

tкр - критическая температура.

Выбираем хладагент по следующим параметрам:

1) t0 ? ts

2) tк << tкр

3) Р0 = Pатм

4) Рк / Р0 - наименьшее значение

Выбираем хладагент R152а

Построение холодильного цикла и расчёт холодильной установки

Холодопроизводительность установки - Q0, кВт - это количество теплоты, которое должна отводить установка в единицу времени, чтобы компенсировать все теплопритоки охлаждаемого помещения. Эта величина определяется калорическим расчётом.

В совокупности t0, tК, t4 представляют собой температурный режим работы холодильной машины, который устанавливают для любого случая в зависимости от назначения холодильной машины и температуры внешней среды (температура воды в водоёмах, температура воздуха).

Эта зависимость обычно следующая:

1) t0 принимают на 9-10 ?С ниже проектируемой температуры холодильной камеры. В свою очередь, температура камеры или какого-либо другого холодильного помещения устанавливается, исходя из технологических требований. Например, в камере для замораживания рыбного филе -30 ч -35 ?С, в камере для хранения мороженной рыбы -20 ч - 25?С;

2) tК принимают на 3-4 ?С выше температуры уходящей из конденсатора воды, которая нагревается там на 5-8 ?С. В судовых холодильных установках tК обычно принимают на 6 ?С выше температуры забортной воды;

3) t4 принимают на 2-3 ?С выше температуры воды, поступающей в конденсатор и охладитель.

Рис. 3 Изменение температуры потоков в испарителе (а), конденсаторе(б) и охладителе (в)

2.1 Холодильная установка с охладителем

Оцениваем индикаторный (адиабатный) зi КПД компрессора:

,

- коэффициент подогрева (в данной формуле температура берётся в Кельвинах)

- коэффициент плотности.

Наносим процесс работы холодильной установки на термодинамическую диаграмму.

Находим параметры рабочего агента в характерных точках схемы по термодинамической диаграмме или по таблицам соответствующего хладагента:

1)

2)

3)

4)

5)

Находим удельную работу компрессора li:

;

- идеальная удельная работа сжатия компрессора

Определяем удельный расход тепла на единицу расхода рабочего агента:

- в испарителе:

- в конденсаторе:

- в охладителе:

Температура охлаждающей воды на выходе из охладителя:

,

где СВ = 4,19 кДж/(кг·0С) - теплоемкость воды.

Так как tв1<t3, то принятый для расчета перепад температур в охладителе дtв=t3 - t4 =16 - 12 = 4 0С может быть реализован.

Проверяем энергетический баланс по формуле:

Массовый расход рабочего агента:

Объемная производительность компрессора:

Расчётная тепловая нагрузка конденсатора:

Расчётная тепловая нагрузка охладителя:

Электрическая мощность компрессора:

эХ - удельный расход электрической энергии на выработку холода - безразмерная величина, определяемая по формуле:

Холодильный коэффициент е определяется по формуле:

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно:

Коэффициент термодинамического совершенства холодильной машины:

Холодильная установка с регенератором

Оцениваем индикаторный (адиабатный) зi КПД компрессора:

,

- коэффициент подогрева (в данной формуле температура берётся в Кельвинах)

- коэффициент плотности.

Рис. 4 Построение цикла для холодильной установки с охладителем

Наносим процесс работы холодильной установки на термодинамическую диаграмму.

Находим параметры рабочего агента в характерных точках схемы по термодинамической диаграмме или по таблицам соответствующего хладагента:

6)

2)

1)

3)

4)

5)

Находим удельную работу компрессора li:

;

где: - идеальная удельная работа сжатия компрессора

Определяем удельный расход тепла на единицу расхода рабочего агента:

- в испарителе:



- в конденсаторе:

Проверяем энергетический баланс по формуле:

Массовый расход рабочего агента:

Объемная производительность компрессора:

Расчётная тепловая нагрузка конденсатора:

Электрическая мощность компрессора:

эХ - удельный расход электрической энергии на выработку холода - безразмерная величина, определяемая по формуле:

Холодильный коэффициент е определяется по формуле:

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно:

Коэффициент термодинамического совершенства холодильной машины:

Холодильная установка без охладителя

Оцениваем индикаторный (адиабатный) зi КПД компрессора:

,

где: - коэффициент подогрева (в данной формуле температура берётся в Кельвинах) - коэффициент плотности.

Рис. 5. Построение цикла для холодильной установки с регенератором

Наносим процесс работы холодильной установки на термодинамическую диаграмму.

Находим параметры рабочего агента в характерных точках схемы по термодинамической диаграмме или по таблицам соответствующего хладагента:

1)

2)

3)

4)

Находим удельную работу компрессора li:

;

- идеальная удельная работа сжатия компрессора

Определяем удельный расход тепла на единицу расхода рабочего агента:

- в испарителе:

- в конденсаторе:

Проверяем энергетический баланс по формуле:



Массовый расход рабочего агента:

Объемная производительность компрессора:

Расчётная тепловая нагрузка конденсатора:

Электрическая мощность компрессора:

эХ - удельный расход электрической энергии на выработку холода - безразмерная величина, определяемая по формуле:

Холодильный коэффициент е определяется по формуле:



Холодильный коэффициент обратного цикла Карно:

Коэффициент термодинамического совершенства холодильной машины:

Холодильная установка без охладителя при условии, что температура кипения хладагента понизилась на 5 0С

Оцениваем индикаторный (адиабатный) зi КПД компрессора:

,

- коэффициент подогрева (в данной формуле температура берётся в Кельвинах)

- коэффициент плотности.



Рис. 6. Построение цикла для холодильной установки без охладителя

Наносим процесс работы холодильной установки на термодинамическую диаграмму.

Находим параметры рабочего агента в характерных точках схемы по термодинамической диаграмме (рис. 7) или по таблицам соответствующего хладагента:

1)

2)

3)

4)

Находим удельную работу компрессора li:

;

- идеальная удельная работа сжатия компрессора

Определяем удельный расход тепла на единицу расхода рабочего агента:

- в испарителе:

- в конденсаторе:

Проверяем энергетический баланс по формуле:

Массовый расход рабочего агента:

Объемная производительность компрессора:

Расчётная тепловая нагрузка конденсатора:

Электрическая мощность компрессора:

эХ - удельный расход электрической энергии на выработку холода - безразмерная величина, определяемая по формуле:



Холодильный коэффициент е определяется по формуле:

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно:

Коэффициент термодинамического совершенства холодильной машины:

Холодильная установка без охладителя при условии, что температура конденсации хладагента повысилась на 5 0С

Оцениваем индикаторный (адиабатный) зi КПД компрессора:

,

- коэффициент подогрева (в данной формуле температура берётся в Кельвинах)

- коэффициент плотности.



Рис. 7. Построение цикла для холодильной установки без охладителя при условии, что температура кипения хладогента понизилась на 5 0С

Наносим процесс работы холодильной установки на термодинамическую диаграмму.

Находим параметры рабочего агента в характерных точках схемы по термодинамической диаграмме (рис. 8) или по таблицам соответствующего хладагента:

1)

2)

3)

4)

Находим удельную работу компрессора li:

;

- идеальная удельная работа сжатия компрессора

Определяем удельный расход тепла на единицу расхода рабочего агента:

- в испарителе:

- в конденсаторе:

Проверяем энергетический баланс по формуле:

Массовый расход рабочего агента:

Объемная производительность компрессора:

Расчётная тепловая нагрузка конденсатора:

Электрическая мощность компрессора:

эХ - удельный расход электрической энергии на выработку холода - безразмерная величина, определяемая по формуле:



Холодильный коэффициент е определяется по формуле:

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно:

Коэффициент термодинамического совершенства холодильной машины:



Рис. 8 Построение цикла для холодильной установки без охладителя при условии, что температура конденсации повысилась на 5 ⁰С

холодильный хладагент компрессор регенератор

Заключение

Полученные данные сводим в таблицу № 2

Таблица № 2

Параметры	Компоновка холодильной установки
	Без охладителя	С охладителем	С регенератором
t0, 0С	- 25	- 30	- 25	- 25	- 25
tк, 0С	16	16	21	16	16
G, кг/с	0,0957	0,097	0,0988	0,0935	0,083
V0, м3/ч	0,0285	0,0354	0,0294	0,0279	0,0295
Nэ, кВт	6,22	7,404	7,2592	6,072	2,28
q0, кДж/кг	261,09	257,05	252,99	267,39	300,74
li,кДж/кг	58,454	68,519	66,114	58,454	24,7
е	4,016	3,378	3,448	4,115	11,11
еt	6,049	5,283	5,391	6,049	6,049
зt	0,664	0,639	0,6396	0,68	1,84

Холодильный коэффициент е оценивает эффективность работы холодильной машины. Холодильный коэффициент показывает: какое количество теплоты отводится от охлаждаемого тела на единицу затраченной работы.

Холодильный коэффициент машина, работающей по обратному центру Карно, не зависит от природы рабочего вещества (хладагента) а является лишь функцией абсолютных температур Т и Т0. Холодильный коэффициент будет тем выше, чем выше разница температур, в пределах которых осуществляется холодильный цикл. Эти выводы важны и в действительных условиях работы холодильных машин.

Чтобы достигнуть более высокого холодильного коэффициента, не следует снижать температуру воздуха охлаждаемого помещения или находящегося в нем продуктов, которая диктуется технологическими требованиями, так как незначительное понижение Т0 вызывает излишнюю затрату энергии на осуществление холодильного процесса. Также в связи с этим в качестве теплоприемника целесообразно использовать наиболее холодную среду.

Из проведённого мною расчёта видно, что холодильный коэффициент выше при компоновке холодильной установки с регенератором.

Литература

1. Справочник по физическим основам криогеники. - второе изд., переработанное и доп./ Под ред. М.П. Малкова. - М.: Энергия 1973 г.

2. Тепловые и конструктивные расчёты холодильных машин./ Под ред. Н.Н. Кошкина. - Л.: Машиностроение, 1976 - 460 с.

3. Добровольский А.П. Таблицы и диаграммы рабочих тел, применяемых в судовых холодильных установках.

4. Холодильные машины и установки./ Под ред. И.А. Скуна. - Л.: Машиностроение 1985 г.

5. Холодильные установки./ Под ред. И.Г. Чумака. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981 г.

Размещено на Allbest.ru

...