Termodinamika_metodichukazanija_k_laborrabotam
.pdfгде R газовая постоянная для воздуха, R = 287Дж (кг·K); Т температура воздуха на входе в сопло 3 (Т 1 незначительно отличается от температуры окружающей среды Т, можно считать Т1 = Т).
ОТЧЕТ О РАБОТЕ
Отчет о выполненной работе должен содержать:
1) принципиальную схему установки и ее краткое описание;
2) журнал наблюдений;
3) график зависимости т f (β);
4) все необходимые расчеты.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1.Каковы условия (допущения), принимаемые в теории газового
потока?
2.Укажите основные уравнения процессов течения.
3.Каков вид уравнения сохранения энергии для адиабатного потока?
4.От каких параметров зависит скорость газа на выходе из суживающегося сопла?
5.Что такое критический режим? Объясните причину его возникновения.
6.Как зависит величина критического давления pкр от давлений р1
ир 2 ?
7.В чем заключается экспериментальное исследование процесса
истечения?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Кириллин, В. А. Техническая термодинамика / В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейдлин. – М. : Наука, 1979. – Гл. 8.
2.Мухачев, Г. А. Термодинамика и теплопередача : учебник для авиац. Вузов / Г. А. Мухачев, В. К. Щукин. – 3-е изд., перераб. – М. :
Высш. шк., 1991. – 480 с.
21
Лабораторная работа 4
ИЗУЧЕНИЕ ПАРОКОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ
Цель работы: изучение основ теории, принципа действия, устройства и основных характеристик парокомпрессионного бытового холодильника.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Во многих машинах используются процессы преобразования энергии с помощью рабочего тела. Основы этих процессов изучает термодинамика. Процессы преобразования энергии в машинах в большинстве случаев или представляют собой цикл, или для анализа могут быть сведены к нему. Циклы бывают прямые (в двигателях) или обратные (в холодильниках и тепловых насосах). Из всех возможных циклов наибольший интерес представляет цикл Карно, имеющий важные достоинства: простота описания (две изотермы и две адиабаты) и максимальный КПД в заданном интервале температур. Парокомпрессионная холодильная машина позволяет реализовать цикл Карно, даже близкий к обратимому, если в ней для расширения газов используется детандер. В небольших холодильниках используется дроссель, процесс в котором принципиально необратим. Другая причина более высокой эффективности парокомпрессионной холодильной машины по сравнению с воздушной большая теплота фазового перехода.
|
|
q |
|
|
2 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4
q
Рис. 4.1. Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной машины:
1 компрессор (насос); 2 конденсатор (радиатор); 3 дроссель; 4 испаритель (морозильная камера); q тепло; l внешняя работа
22
Рассмотрим принцип действия и цикл работы парокомпрессионного холодильника.
Компрессор за счет внешнего источника энергии сжимает пар, который при этом нагревается. В конденсаторе 2 пар отдает тепло окружающей среде и превращается в жидкость. При прохождении жидкости через дроссель 3 (маленькое отверстие) давление понижается и жидкость закипает. При этом дросселирование влажного пара всегда происходит с понижением температуры. Необходимое для фазового перехода тепло отнимается от самого рабочего тела, поэтому его температура понижается. В испарителе 4 за счет подвода тепла жидкость кипит и испаряется.
Свойства рабочего тела (зависимость температуры кипения от давления), параметры цикла и установки (давления, проходные сечения магистралей, расход) таковы, что от выхода из конденсатора до дросселя рабочее тело – жидкое (полностью или в основном). В целом на схеме можно выделить две области: от компрессора до дросселя – высокие и почти постоянные давление и температура, от дросселя до компрессора низкие
ипочти постоянные давление и температура.
Вкачестве рабочего тела в парокомпрессионной холодильной машине используют легкокипящие вещества, т. е. вещества, у которых
температура кипения при атмосферном давлении T 0 °С.
В бытовых холодильниках применяют фреоны фторохлоропроизводные простейших предельных углеводородов. Так, фреон R14 (CF4) при атмосферном давлении кипит при Т = –128 °С; фреон R22 (CHClF2) – при
Т = –40,8 °С; фреон R12 (CCl2F) – при Т = –29,8 °С:
Параметры хладагентов в состоянии насыщения
Т, |
|
|
Давление p, МПа |
|
|
|
°С |
|
|
Тип фреона |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R11 |
R12 |
R21 |
R22 |
R114 |
R142 |
|
|
|
|
|
|
|
–30 |
0,009 2 |
0,100 4 |
0,016 76 |
0,164 |
0,022 6 |
0,040 26 |
|
|
|
|
|
|
|
–25 |
0,012 2 |
0,123 8 |
0,021 94 |
0,202 |
0,029 1 |
0,051 18 |
|
|
|
|
|
|
|
–20 |
0,015 7 |
0,150 9 |
0,028 35 |
0,246 |
0,037 1 |
0,064 24 |
–15 |
0,020 3 |
0,182 7 |
0,036 21 |
0,297 |
0,046 6 |
0,079 92 |
–10 |
0,025 6 |
0,219 1 |
0,04576 |
0,356 |
0,058 1 |
0,098 40 |
|
|
|
|
|
|
|
–5 |
0,032 2 |
0,261 0 |
0,057 20 |
0,423 |
0,071 8 |
0,120 00 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0,040 2 |
0,308 6 |
0,070 86 |
0,500 |
0,088 0 |
0,145 20 |
5 |
0,049 6 |
0,362 6 |
0,086 96 |
0,589 |
0,106 9 |
0,174 50 |
|
|
|
|
|
|
|
10 |
0,060 5 |
0,423 0 |
0,105 80 |
0,685 |
0,128 9 |
0,207 90 |
15 |
0,073 5 |
0,491 2 |
0,127 80 |
0,795 |
0,154 4 |
0,246 20 |
|
|
|
|
|
|
|
20 |
0,088 6 |
0,566 7 |
0,153 20 |
0,917 |
0,183 6 |
0,289 60 |
25 |
0,106 4 |
0,651 0 |
0,182 40 |
1,054 |
0,216 9 |
0,338 70 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
23 |
|
|
|
30 |
0,126 0 |
0,743 4 |
0,215 60 |
1,202 |
0,254 8 |
0,393 80 |
35 |
0,148 7 |
0,846 1 |
0,253 30 |
1,368 |
0,297 4 |
0,455 70 |
40 |
0,174 8 |
0,958 2 |
0,295 90 |
1,548 |
0,345 3 |
0,524 50 |
|
|
|
|
|
|
|
45 |
0,204 5 |
1,081 0 |
– |
1,747 |
0,398 7 |
0,601 10 |
50 |
0,235 7 |
1,214 7 |
– |
1,964 |
0,458 3 |
0,685 70 |
|
|
|
|
|
|
|
На выходе из испарителя рабочее тело имеет температуру значительно ниже, чем окружающая среда. На выходе из конденсатора рабочее тело имеет температуру несколько большую, чем окружающая среда. Между этими точками целесообразно организовать теплообмен, как показано на рис. 4.1 пунктиром. В результате этого снизится температура на входе в дроссель, и можно получить более низкую температуру в испарителе.
Следует заметить, что в адиабатном процессе температура рабочего тела понижается в результате процесса его расширения благодаря кипению, эффекту дросселирования (если он есть) или совершению телом внешней работы (в детандере). При дросселировании двухфазного рабочего тела (жидкость–пар) его температура понижается всегда.
Диаграммы работы в p–V- и T–S-координатах показаны на рис. 4.2. Линия 1–2 адиабатное сжатие в компрессоре с подводом внешней работы. Линия 2–3 изобарное и изотермическое превращение пара в жидкость в конденсаторе с отдачей тепла окружающей среде. Линия 3–4 адиабатное дросселирование. Линия 4–1 изобарное и изотермическое превращение жидкости в пар в испарителе с поглощением тепла от окружающей среды.
Процессы поглощения 4–1 и отдачи тепла 2–3 являются изобарными благодаря незначительному гидравлическому сопротивлению соответствующих магистралей. Эти процессы являются одновременно и изотермическими благодаря фазовому переходу и изобарными, что приближает рассматриваемый цикл к циклу Карно наиболее эффективному циклу.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
qгор |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
qгор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
P |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
qхол |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
qхол |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
6 |
7 |
8 |
|
|
|
|
S |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.2. Цикл парокомпрессионной холодильной машины: 1–2 сжатие в компрессоре; 2–3 конденсация пара; 3–4
24
дросселирование; 4–1 кипение и испарение жидкости;
3–5 обратимое расширение в детандере; qхол и qгор cоответственно поглощаемое и отдаваемое рабочим телом тепло;
1 внешняя подводимая работа; площадь фигуры 8–2–3–6–8 отдаваемое тепло; площадь фигуры 8–1–4–7–8 поглощаемое тепло
Дросселирование принципиально необратимо, поэтому линия 3–4 на T–S-диаграмме отклоняется вправо, что уменьшает количество поглощенного тепла (площадь под линией 4–1) и эффективность холодильника. Если вместо дросселя использовать детандер, то линия 3–4 совпадала бы с линией 3–5 и цикл был бы эффективнее, но устройство холодильника в этом случае сложнее.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Внешний вид лабораторной установки для изучения парокомпрессионной холодильной машины показан на рис. 4.3. Пар из компрессора 1 под высоким давлением поступает в конденсатор 2. На выходе конденсатора установлен фильтр 10. Жидкий фреон по тонкой трубке, которая находится внутри толстой трубы 11 с холодным паром, отдавая пару тепло, поступает к дросселю, который конструктивно расположен в магистрали испарителя. После дросселя кипящий фреон поглощает тепло из окружающей среды и по трубе 11 возвращается в компрессор 1.
7
25
6
5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.3. Внешний вид |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лабораторной установки для |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
изучения парокомпрессионной |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
холодильной машины: |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
1 |
компрессор; |
2 |
конденсатор- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
радиатор; |
3 |
|
манометр; |
|
4 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
испаритель; |
5 |
|
прибор |
для |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
измерения температуры; 6 тумблер |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T4 |
|
|
переключения |
|
термопар; |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
тумблер |
включения установки; |
8 |
|||||
|
|
T5 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
1 |
11 |
|
10 |
|
|
|
место установки |
дросселя; |
9 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
манометр; 10 фильтр; 11 труба;
Т 1 Т 5
установки термопар
Давление измеряется в двух местах: на выходе из компрессора (манометр 3) и на входе в компрессор (манометр 9). Температура измеряется
впяти точках, как показано на схеме. Прибор показывает температуру
вградусах Цельсия.
Переключение с одного датчика температуры на другой осуществляется поворотом ручки 6. Датчики включаются поочередно.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
После изучения теоретической части и устройства лабораторной установки приступают к выполнению лабораторной работы.
Включается установка при помощи тумблера 7, снимаются показания давлений с манометров и по шкале прибора 5 значения температур в пяти точках. С интервалом в 20 с регистрируются значения температур на датчиках 1 и 2 до тех пор, пока их температурные значения не сравняются.
После выхода установки на режим фиксируются значения давлений и температур.
Перед выключением компрессора регистрируются все параметры
26
два давления и пять температур (с помощью переключателя термопар). После включения компрессора с интервалом 0,5...1 мин опять регистрируются все параметры. При этом обращается внимание на те параметры, которые изменяются быстрее других. Отмечается время появления инея на испарителе и время выхода холодильника на режим.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет о выполненной работе должен содержать: 1) цель работы;
2) принципиальную схему парокомпрессионной холодильной машины; 3) диаграммы p–V и T– S с обозначениями;
4) схему установки с обозначениями и описанием;
5) таблицы с результатами измерений параметров;
6) графики изменения параметров T1 = f(τ), T2 = f(τ), где τ время; 7) графики, позволяющие определить тип фреона; 8) обоснованное заключение о типе фреона.
На основании табличных значений р и Т для различных типов фреонов строятся графики, на которые наносятся р и Т, определенные в точке, где фреон находится в состоянии насыщения, и по совпадению определяют тип использованного в данной установке фреона.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1.Что называют прямым и обратным циклом?
2.По какому циклу (прямому или обратному) работает холодильная машина?
3.По диаграмме p–V доказать, что показан обратный цикл, а не прямой.
4.Что такое цикл Карно?
5.Можно ли организовать обратимый обратный цикл Карно?
6.Чем отличается цикл рассматриваемой холодильной машины от цикла Карно?
7.Каковы преимущества и недостатки дросселя по сравнению с детандером?
8.На диаграмме T–S показать площади, соответствующие количеству тепла.
9.Благодаря чему обеспечивается изотермичность процессов поглощения и отвода тепла (в испарителе и конденсаторе)?
10.Что такое холод?
11.Каким образом можно получить холод?
12.Где и в результате чего получается холод?
13.Какие условия нужны для кипения и конденсации?
14.Что такое дросселирование?
27
15.Как выглядит в холодильнике дроссель?
16.Где именно быстрее всего начинает снижаться температура?
17.Где в холодильнике расположены точки с максимальными и минимальными температурами и давлениями?
18.На схемах холодильника и установки показать участки, где находится парообразный, жидкий и двухфазный фреон.
19.Для чего организован теплообмен между двумя потоками фреона?
20.Не противоречит ли процесс в холодильнике второму началу термодинамики?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Кириллин, В. А. Техническая термодинамика / В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейдлин. – М. : Энергия, 1974. – С. 377–384.
2.Мухачѐв, Г. А. Термодинамика и теплопередача : учебник для авиац. вузов / Г. А. Мухачев, B. К. Щукин. – 3-е изд., перераб. – М. : Высш.
шк., 1991. – 480 с.
Учебно-методическое издание
ТЕРМОДИНАМИКА
Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальностей 160302 «Ракетные двигатели, 140504 «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование»
28
очной формы обучения
Составители: Измайлова Наталья Георгиевна Жуйков Дмитрий Александрович
Оригинал-макет и верстка А. А. Ловчиковой
Подписано в печать 18.03.2011. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Усл. печ. 1,6. Уч.-изд. л. 1,75.
Тираж 50 экз. Заказ |
С 486. |
Санитарно-эпидемиологическое заключение
№ 24.49.04.953.П.000032.01.03 от 29.01.2003 г.
Редакционно-издательский отдел Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та. Отпечатано в отделе копировально-множительной техники Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та.
660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31.
29