- •Лекция 1 Развитие холодильной техники, основы искусственного охлаждения
- •Введение
- •1. Физические основы искусственного охлаждения
- •Способы искусственного охлаждения
- •Фазовые превращения веществ
- •2. Теоретический цикл компрессорной холодильной машины и его отличие от цикла Карно
- •Лекция 2
- •2. Теоретические циклы и принципиальные схемы одноступенчатых холодильных машин
- •3. Многоступенчатые холодильные машины.
- •4. Абсорбционные и сорбционные холодильные машины
- •5. Пароэжекторные холодильные машины
- •Лекция 3 Холодильные агенты и хладоносители
- •1. Общие сведения. Классификация холодильных агентов.
- •3. Однокомпонентные хладагенты.
- •1. Общие сведения. Классификация холодильных агентов
- •2. Требования к хладагентам
- •3. Однокомпонентные хладагенты
- •4. Традиционные хладагенты групп хфу и гхфу
- •Хладоносители
- •Лекция 4 Компрессоры
- •6. Турбокомпрессоры.
- •1. Общие сведения. Классификация компрессоров
- •Буквенные обозначения компрессоров
- •Технические параметры компрессоров
- •2. Поршневой компрессор. Определение и принцип действия
- •Состав поршневого компрессора
- •Устройство компрессора фг-0,100 (1-5-08в)
- •Смазочные масла для компрессоров
- •Требования к смазочным маслам
- •Виды применяемых масел
- •Особенности свойств масла при эксплуатации
- •3. Устройство мембранных компрессоров
- •4. Ротационные компрессоры вращения
- •5. Винтовые компрессоры
- •6. Турбокомпрессоры
- •Центробежные компрессоры
- •Лекция 5 Теплообменники холодильных машин
- •1. Конденсаторы
- •Конденсаторы с водяным охлаждением
- •Пластинчатые конденсаторы
- •Классификация пластинчатых теплообменников по схеме движения теплоносителей Одноходовой пластинчатый теплообменник
- •Многоходовой пластинчатый теплообменник
- •2. Испарители
- •Терморегулирующий вентиль
- •Существует два типа терморегулирующих вентилей:
- •3. Охлаждающие приборы
- •2. Холодильное оборудование для хранения мясных продуктов
- •Универсальное оборудование
- •Аппараты и установки для быстрого замораживания пищевых продуктов
- •1. Морозильные аппараты с интенсивным движением воздуха
- •1.2 Тележечные скороморозильные аппараты
- •1.3 Конвейерные скороморозильные аппараты
- •3. Контактные морозильные аппараты
- •3. Применение холода в молочной промышленности
- •4. Холод в пивоваренной промышленности.
- •Словарь терминов
- •Список литературы
2. Теоретические циклы и принципиальные схемы одноступенчатых холодильных машин
Холодильная машина с детандером в области влажного пара. Принципиальная схема и цикл такой холодильной машины приведены на рис. 19. Рабочее вещество в состоянии 1 поступает в компрессор КМ, где изоэнтропно сжимается до давления конденсации рк (процесс 1-2) и направляется в конденсатор КД. Следует отметить, что точка 2 должна лежать на правой пограничной кривой. После конденсации за счет отвода теплоты в окружающую среду (процесс 2-3), рабочее вещество расширяется в детандере ДТ до давления кипения р0, совершая при этом работу. Процесс расширения 3-4 также идет изоэнтропно. В состоянии 4 рабочее вещество поступает в испаритель ИС, где кипит (процесс 4-1) при давлении р0 за счет теплоты, подводимой от источника низкой температуры. Следует особо отметить, что для конкретной холодильной машины давление кипения р0 и давление конденсации рк зависят только от температуры и теплоты внешних источников и самоустанавливаются в зависимости от их параметров. При этом давление кипения соответствует температуре кипения T0, которая определяется по формуле: T0 = Tот - ∆Tи, где Tот – температура охлаждаемого тела; ∆Tи – температурный напор в испарителе. Давление конденсации соответствует температуре конденсации TК, которая определяется по формуле: TК = Tос + ∆TК, где Tос – температура окружающей среды; ∆Tк – температурный напор в конденсаторе. Пар рабочего вещества, образовавшийся при кипении, постоянно отсасывается компрессором.
Рис. 19. Схема и теоретический цикл одноступенчатой холодильной машины с детандером
При условии постоянства температуры внешних источников и бесконечно малой разности температур в процессе теплообмена рабочего вещества с этими источниками T0 = Tот, Tк = Tос и рабочее вещество будет совершать обратный цикл Карно, коэффициент обратимости которого равен единице.
Теплота, которая подводится к рабочему веществу в испарителе, называется холодопроизводительностью холодильной машины Q0, а отнесенная к 1 кг рабочего вещества - удельной массовой холодопроизводительностью q0, которая на диаграмме s-Т соответствует площади m-4-1-n или
q0 = h1 – h4. (2.1)
На диаграмме h-р удельная массовая холодопроизводительность эквивалентна (~) отрезку 1-4.
Удельная работа lк, затрачиваемая в компрессоре, на диаграмме s-Т эквивалентна площади 1-2-3-0-1, а на диаграмме h-р – отрезку 1-2, т.е.
lк = h2 – h1. (2.2)
Удельная теплота, отводимая от рабочего вещества в конденсаторе, определяется на диаграмме s-Т как площадь m-3-2-n, на диаграмме h-р – отрезком 2-3 или
q = h2 – h3. (2.3)
Удельная внешняя работа, совершаемая рабочим веществом при расширении в детандере, – это на диаграмме s-Т площадь 0-3-4, а на диаграмме h-р – отрезок 3-4 или
lд = h3 – h4. (2.4)
Так как в компрессоре работа затрачивается, а в детандере - совершается, то удельная работа, которую необходимо затратить для осуществления цикла 1-2-3-4,
lц = lк – lд = (h2 – h1) – (h3 – h4). (2.5)
Площадь на диаграмме s-Т, которая эквивалентна работе цикла, определяется из соотношения lц = lк – lд ~ пл. 1-2-3-0-1 - пл. 0-3-4 = пл. 1-2-3-4.
К такому же выводу можно прийти другим способом:
lц = q – q0 = (h2 – h3) – (h1 – h4) = (h2 – h1) – (h3 – h4)
или lд = q – q0 ~ пл. m-3-2-4 - пл. m-4-1-n = пл. 1-2-3-4.
Холодильный коэффициент цикла 1-2-3-4 (Карно)
. (2.6)
Рассмотренный цикл является образцовым, но на практике его осуществить невозможно. Основными причинами являются наличие разности температур между теплообменивающимися средами в теплообменных аппаратах (в данном случае в конденсаторе и испарителе) и недопустимость всасывания в компрессор влажного пара. Кроме того, в реальных циклах парокомпрессионных машин расширение в детандере заменяется дросселированием.
Холодильная машина с дроссельным вентилем и всасыванием сухого насыщенного пара. На рис. 20 показаны принципиальная схема такой машины и ее циклы на s-Т- и h-р-диаграмме, рабочие процессы которой идут следующим образом: 1-2 – сжатие рабочего вещества в компрессоре, 2-3 – охлаждение и конденсация рабочего вещества за счет отвода теплоты в окружающую среду в конденсаторе, 3-4 – расширение рабочего вещества в дроссельном вентиле ДР, 4-1 – кипение рабочего вещества за счет подвода теплоты от источника низкой температуры в испарителе.
Действительные процессы, которые происходят в элементах реальной холодильной машины, существенно отличаются от теоретических. Одним из отличий действительных циклов является наличие конечной разности температур в процессах теплообмена рабочего вещества с внешними источниками.
Необходимо рассмотреть, как определяются температуры кипения Т0 и конденсации Тк в действительном цикле одноступенчатой холодильной машины.
Если теплота от конденсатора отводится водой, то температура конденсации Тк выбирается на 5-8 ºС выше средней температуры воды, нагрев которой в конденсаторе составляет 4-5 ºС. Когда отвод теплоты осуществляется воздухом, то Тк на 10-20 ºС выше средней температуры воздуха, который нагревается в конденсаторе до 6-8 ºС.
В том случае, когда теплота от охлаждаемого объекта (или среды) подводится к испарителю с помощью жидкого теплоносителя (хладоносителя), то задается температура хладоносителя на выходе из испарителя, принимается его охлаждение на 4-5 ºС, а разность температур между средней температурой хладоносителя в испарителе и температурой кипения составляет 5-8 ºС. Когда охлаждаемая среда - воздух или какой-либо газ, то разность температур между средней температурой воздуха и температурой кипения рабочего вещества около 10 ºС.
Приведенные перепады температур являются ориентировочными и зависят от рабочего вещества, типа теплообменных аппаратов и некоторых других факторов.
В рассматриваемом цикле по сравнению с предыдущим расширение с совершением внешней работы заменено дросселированием. Всасывание в компрессор сухого насыщенного пара явилось причиной того, что температура на нагнетании компрессора (точка 2) стала выше температуры конденсации.
Рис. 20. Схема и теоретический цикл одноступенчатой холодильной машины с дроссельным вентилем
При замене детандера на дроссельный вентиль, уменьшается холодопроизводительность на величину ∆q0 = пл. m-5-4-n. Это происходит вследствие того, что работа, которая могла бы быть получена в изоэнтропном процессе 3-5 (пл. 0-3-5), полностью превращается в теплоту и подводится к рабочему веществу в процессе дросселирования, поэтому часть рабочего вещества выкипает (процесс 5-4).
Определяют основные величины, характеризующие этот цикл, следующим образом:
q0 ~ пл. n-4-1-e = h1 – h4; (2.7)
q ~ пл. m-3-b-2-e = h2 – h3; (2.8)
lц=q-q0~пл.m-3-b-2-e–пл.n-4-1-e=h2–h1= пл. m-3-b-2-1-4-n = пл. 1-2-3-0-1
или, так как lд = 0,
lц = lк = h2 – h1 ~ пл. 1-2-b-3-0-1. (2.9)
Холодильный коэффициент теоретического цикла:
. (2.10)
На практике цикл с всасыванием сухого насыщенного пара можно реализовать, если добавить в схему холодильной машины дополнительный вспомогательный аппарат – отделитель жидкости (рис. 21).
Жидкий холодильный агент, выходящий из конденсатора (точка 3), дросселируется в дроссельном вентиле. При дросселировании происходит падение давления и температуры и частичное парообразование. Влажный пар (точка 4) направляется в отделитель жидкости (вертикальный сосуд), где разделяется на насыщенную жидкость (точка 5) и насыщенный пар (точка 1). Насыщенная жидкость оседает вниз, а насыщенный пар направляется вверх, откуда отсасывается компрессором. Насыщенная жидкость под действием гидростатического столба или с помощью насоса из отделителя жидкости ОЖ поступает в испаритель, где выкипает за счет тепла, подводимого к ней от охлаждаемого тела. Влажный пар из испарителя в состоянии 6 (сухой насыщенный пар с каплями жидкости) поступает обратно в отделитель жидкости, где жидкость отделяется, а пар отсасывается компрессором.
Рис. 21. Схема и цикл холодильной машины с отделителем жидкости
Одноступенчатая холодильная машина с всасыванием перегретого пара и дросселированием переохлажденной жидкости. На рис. 22 показан цикл на s-Т- и h-P-диаграмме холодильной машины с всасыванием в компрессор перегретого пара и дросселированием переохлажденной жидкости. Рабочее вещество поступает в компрессор в состоянии перегретого пара при температуре Т1 и давлении р0. На дросселирование хладагент поступает в состоянии переохлажденной жидкости при температуре Т3 и давлении рк.
Рис. 22. Цикл с всасыванием перегретого пара и дросселированием переохлажденной жидкости
Перегрев на всасывании необходим для того, чтобы обеспечить сухой ход и безопасную работу компрессора, так как попадание жидкости в цилиндр поршневого компрессора уменьшает объемную производительность компрессора и может привести к гидравлическому удару, для других типов компрессоров это тоже нежелательно.
Перегрев характеризуется величиной ∆ТВС = Т1 – Т0. Значение ∆ТВС зависит от схемы холодильной установки, холодильного агента, типа компрессора, конструкции испарителя и т.д. Основные места, где может происходить перегрев:
- испаритель, особенно если питание испарителя осуществляется с помощью терморегулирующего вентиля;
- всасывающий трубопровод компрессора;
- всасывающий тракт компрессора, особенно для герметичных и бессальниковых компрессоров;
- регенеративный теплообменник.
В дальнейшем, если не будет специальной оговорки, принимают ∆ТВС = 5-10 ºС.
Переохлаждение жидкого холодильного агента перед дросселированием приводит к уменьшению необратимых потерь при дросселировании, уменьшению парообразования при дросселировании, увеличению удельной холодопроизводительности цикла и холодопроизводительности машины в целом, повышению энергетической эффективности цикла, т.е. увеличению холодильного коэффициента.
Переохлаждение характеризуется величиной ∆ТП = ТК – Т3. Значение ∆ТП зависит от схемы холодильной установки, холодильного агента, конструкции конденсатора и т.д. Основные места, где может происходить переохлаждение:
- конденсатор, особенно если для регулирования конденсаторов используется способ подтапливания конденсатора;
- трубопровод и аппараты на линии от конденсатора до дроссельного устройства;
- специальный теплообменный аппарат - переохладитель жидкости;
- регенеративный теплообменник.
В дальнейшем, если не будет специальной оговорки, принимают ∆ТП = 2-3 ºС.
Цикл холодильной машины с перегревом на всасывании и переохлаждением перед дросселированием включает основные процессы:
1"-1 - перегрев на всасывании компрессора (Р0 = const);
1 -2 - сжатие в компрессоре (S = const);
2 -2" - сбив перегрева (РК = const);
2"-3′ - конденсация (РК = const);
3′-3 - переохлаждение (РК = const);
3-4 - дросселирование (h = const);
4-1" - кипение (Р0 = const).
Исходными величинами для теплового расчета действительного цикла являются: холодопроизводительность Q0, температура воды (или воздуха) при входе в конденсатор Тw1, температура хладоносителя на выходе из испарителя Тs2, а также рабочее вещество, которое задается или выбирается в зависимости от конкретных условий.
После определения Т0, p0, Тк, рк цикл холодильной машины вписывается в тепловую диаграмму. Наиболее распространенными являются диаграммы s-Т и h-р.
В заданную холодопроизводительность Q0 входят: теплота, отводимая от хладоносителя, Q0s; теплота, поступающая к рабочему веществу в испарителе от наружного воздуха ∆Q01 (внешние потери); внутренние теплопритоки, равные теплоте трения при движении охлаждаемой среды (хладоносителя) через испаритель ∆Q02, т.е.
Q0 = Q0s + ∆Q01 + ∆Q02. (2.11)
Удельная массовая холодопроизводительность цикла:
q0 = h1" - h4. (2.12)
Массовый расход рабочего вещества в холодильной машине (кг/с):
Ga = Q0 / q0. (2.13)
Действительный объем пара рабочего вещества (м3/c), который образуется в испарителе и отсасывается компрессором по условиям всасывания,
Vд = Ga ∙ v1, (2.14)
где v1 - удельный объем пара на всасывании в компрессор.
В реальном компрессоре существуют объемные потери, которые характеризуются коэффициентом подачи λ, поэтому объемная производительность компрессора определяется из соотношения:
Vт = Vд / λ. (2.15)
Массовый расход хладоносителя в испарителе (кг/с)
, (2.16)
где сS – теплоемкость хладоносителя; ТS1, ТS2 – температуры входа и выхода хладоносителя из испарителя.
Количество теплоты Qк, которое необходимо отвести от рабочего вещества в конденсаторе, определяется из теплового баланса:
Qк = Qк.р.в ± ∆Qк1 + ∆Qк2, (2.17)
где Qк.р.в – теплота, поступающая в конденсатор от рабочего вещества,
Qк.р.в = Gа(h2 - h3′); (2.18)
∆Qк1 – теплота, отводимая или подводимая к рабочему веществу в конденсаторе из окружающего воздуха в зависимости от соотношения температуры конденсации и воздуха; ∆Qк2 – теплота трения, выделяющаяся при движении воды или воздуха через конденсатор (как правило, эта величина мала и ее можно не учитывать). Массовый расход внешней среды (воды или воздуха) (кг/с)
(2.19)
где сw – теплоемкость внешнего источника (воды или воздуха); Тw1, Тw2 – температура внешнего источника при входе и выходе из конденсатора.
Далее определяются энергетические показатели холодильной машины:
- работа изоэнтропного процесса сжатия (кДж/кг)
ls = h2 – h1; (2.20)
-мощность изоэнтропного процесса сжатия (кВт)
Ns = Gals. (2.21)
В реальном компрессоре существуют, наряду с объемными, также и энергетические потери, которые характеризуются эффективным КПД ηе. Мощность, которая необходима для привода реального компрессора, называется эффективной мощностью Nе и определяется из соотношения:
Ne = Ns / ηе. (2.22)
Действительный холодильный коэффициент реальной холодильной машины εд определяется с учетом всех потерь и затрат на производство холода в количестве Q0:
, (2.23)
где – суммарная мощность насосов (или вентиляторов), необходимая для движения внешних источников через конденсатор и испаритель, а также мощность масляных насосов, компрессоров, если они имеют индивидуальный привод.
Следует обратить внимание, что холодильный коэффициент εд не учитывает энергетических затрат на транспортировку хладоносителя к охлаждаемому объекту, затрат на привод вентиляторов и насосов градирни, а также других затрат энергии, связанных с эксплуатацией холодильной установки, частью которой является холодильная машина.