ТОХТ — Ответы к госэкзамену

1. Классификация холодильных машин, простейшие схемы

Температурным пределом искусственного охлаждения является температура, близкая к абсолютному нулю (минус 273, 15°С). Диапазон температур, достигаемый в холодильных машинах, условно делится на две области:
-область умеренного холода до минус 160°С;
-область глубокого холода от минус 120°С и ниже.
Холодильные машины умеренного холода по виду используемой энергии делятся на три основные группы:
-компрессорные;
-теплоиспользующие;
-термоэлектрические.
Компрессорные холодильные машины используют энергию в виде механической работы. Одним из элементов этих машин является компрессор, сжимающий и перемещающий паро- или газообразное рабочее вещество. В зависимости от типа и мощности компрессора его привод может осуществляться от электрического двигателя, двигателя внутреннего сгорания, паровой или газовой турбины.
Теплоиспользующие холодильные машины - в качестве источников энергии используют теплоту относительно низкого потенциала (горячая вода, отходящие газы, отработавший пар), имеющие температуру выше температуры окружающей среды. Это так называемые вторичные энергетические ресурсы (ВЭР).
Термоэлектрические холодильные машины используют непосредственно электрическую энергию.
В зависимости от агрегатного состояния холодильного агента компрессорные холодильные машины могут быть:
-паровыми;
-газовыми.
В паровых холодильных машинах рабочее вещество совершает замкнутый обратный термодинамический цикл, меняя свое агрегатное состояние по схеме пар-жидкость-пар.
В газовых холодильных машинах агрегатное (газообразное) состояние рабочего вещества не изменяется, причем в качестве рабочего вещества применяется преимущественно воздух.
Паровые холодильные машины конструктивно могут быть:
-одноступенчатые;
-многоступенчатые;
-каскадные.
Газовые холодильные машины по принципу получения низких температур делятся на два типа:
-с эффектом охлаждения, получаемым в расширительной машине (детандере) с отдачей внешней полезной работы;
-с эффектом охлаждения, получаемым в вихревой трубе без отдачи полезной работы.
Оба типа газовых холодильных машин могут работать по регенеративному и нерегенеративному циклу.
Теплоиспользующие холодильные машины делятся на:
-пароэжекторные;
-абсорбционные.
Парокомпрессионная холодильная машина
13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
1. Компрессор
2. Конденсатор
3. Дроссельное устройство
4. Испаритель
Рабочее вещество сжимается в компрессоре 1 до давления конденсации и направляется в конденсатор 2. За счет отвода тепла в окружающую среду рабочее вещество конденсируется и направляется в дроссельное устройство 3, где давление конденсации снижается до давления кипения. Поступая в испаритель 4, рабочее вещество кипит за счет теплоты подводимой от источника низкой температуры. Пар рабочего вещества отсасывается компрессором.
Газовая холодильная машина с детандером
13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
1. Компрессор
2. Промежуточный холодильник
3. Детандер
4. Теплообменный аппарат
Газ поступает в компрессор 1 и сжимается до давления нагнетания, затем поступает в промежуточный холодильник 2, где охлаждается за счет отвода теплоты в окружающую среду. Далее газ направляется в детандер 3, где в процессе расширения снижаются его температура и давление. Холодный газ поступает в теплообменный аппарат 4, где к нему подводится теплота от источника низкой температуры.
Пароэжекторная холодильная машина
13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
1. Эжектор
2. Парогенератор
3. Конденсатор
4. Насос конденсата
5. Дроссельный вентиль
6. Испаритель
Рабочий пар из парогенератора 2, образовавшийся за счет подвода теплоты Qг, направляется в сопло эжектора 1. В сопле потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию. Струя пара, увлекая холодный пар, идущий из испарителя 6 смешивается с ним в камере смешения эжектора 1. В диффузоре эжектора 1 скорость смеси снижается, а давление повышается от давления в испарителе до давления в конденсаторе 3. За счет отвода теплоты конденсации Qк образуется конденсат, который направляется по двум потокам: одна часть подается конденсатным насосом 4 в парогенератор 2, а другая через дроссельный вентиль 5 поступает в испаритель. Вода в испарителе охлаждается в результате ее частичного испарения в глубоком вакууме. Охлажденная вода из испарителя подается потребителю, а затем возвращается обратно.
Таким образом, пароэжекторная установка представляет собой систему совмещенных неразделимых процессов прямого и обратного циклов. В ней совмещены пароэнергетическая установка с двигателем-эжектором и холодильная машина со струйным компрессором-эжектором.
Абсорбционная холодильная машина
13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
Так же как и в пароэжекторной холодильной машине, искусственный холод получается с помощью совмещенного прямого и обратного циклов.
Процессы осуществляются с помощью раствора, состоящего из двух компонентов (абсорбента и хладагента).
Раствор с большим содержанием хладагента называется крепким, а с меньшим - слабым.
В генераторе 1 происходит кипение крепкого (по хладагенту) раствора за счет подвода теплоты Qг от внешнего источника. Образующийся при этом пар хладагента и абсорбента поступает в конденсатор 2, где конденсируется вследствие отвода от него теплоты Qк в окружающую среду.
Жидкость, полученная в конденсаторе, дросселируется в вентиле 3 от давления конденсации до давления кипения и поступает в испаритель 4. В результате подвода тепла Qо от охлаждаемого источника в испарителе жидкость кипит. Образовавшийся при этом пар поступает в абсорбер 5. Слабый (по хладагенту) раствор из генератора 1 через дроссельный вентиль 6 также подается в абсорбер. В абсорбере происходит поглощение пара слабым раствором, в результате чего его концентрация повышается до первоначальной в процессе кипения в генераторе. Теплота абсорбции Qа отводится в окружающую среду.
Крепкий раствор из абсорбера перекачивается насосом 7 в генератор 1 и, таким образом, замыкаются прямой и обратный циклы.
2. Дросселирование жидкостей

Дросселированием называется эффект падения давления рабочего вещества в процессе протекания его через сужение в канале. Физически падение давления в процессе дросселирования обусловлено диссипацией энергии потока, расходуемой на преодоление местного сопротивления.
Рассмотрим процесс дросселирования рабочего вещества в диафрагме, установленной в горизонтальном трубопроводе постоянного сечения (рис.). Теплообменом рабочего вещества с окружающей средой в процессе, пренебрегаем.
13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
Масса рабочего вещества, заключенная в данный момент между сечениями 1-1 и 2-2, перемещается вдоль трубы. Обозначим площадь сечения трубы F, давление, температуру и объем рабочего вещества до и после диафрагмы соответственно P13 EMBED Equation.3 1415,V13 EMBED Equation.3 1415,T13 EMBED Equation.3 1415 и P13 EMBED Equation.3 1415,V13 EMBED Equation.3 1415,T13 EMBED Equation.3 1415. За некоторый промежуток времени сечение 1-1 переместится на расстояние S2 . Так как давление и плотность рабочего вещества за диафрагмой ниже, чем перед диафрагмой, то S2>S1. Для того, чтобы переместить сечение 1-1 на расстояние S1, необходимо совершить работу, равную
L1=P1·S1·F.
Обозначим V1=S1F, где V1-объем рабочего вещества, вытесняемый сечением 1-1 за рассматриваемый промежуток времени через диафрагму. Так как V1=
· 1G, где G-масса рабочего вещества, то
L1=P1·
·1·G
Так же определяется работа, которую производит сечение 2-2 против давления P2
L2=P2·
· 2·G
При перемещении рассматриваемой массы рабочего вещества за определенный промежуток времени совершается работа, равная разности работ L2 и L1
L=L2-L1; L=(P2
· 2-P1
·1)G. (1)
Эта работа (работа проталкивания) затрачивается на преодоление сопротивления и, превращаясь в теплоту, подводится к самому рабочему веществу.
В процессе дросселирования без теплообмена с окружающей средой работа может быть произведена только за счет уменьшения внутренней энергии системы. Следовательно,
L=(u1-u2)G (2), где
u1 и u2–внутренняя энергия единицы массы рабочего вещества до и после диафрагмы.
Приравнивая между собой правые части уравнения (1) и (2), получаем
u1+P1
·1= u2+P2
·2 или, что то же самое
i1=i2 (3)
Уравнение (3) показываем, что в результате адиабатного дросселирования значения энтальпий рабочего вещества до и после местного сопротивления одинаковы.
Однако в самом процессе дросселирования энтальпия переменна. Это объясняется тем, что диафрагма или другое местное сопротивление представляет собой сужение проходного сечения трубы, поэтому при протекании через диафрагму поток рабочего вещества ускоряется, его кинетическая энергия возрастает и следовательно энтальпия уменьшается.
За диафрагмой сечение трубы увеличивается, поток замедляется (тормозится), его кинетическая энергия уменьшается и энтальпия возрастает до прежнего значения. Это иллюстрируется диаграммой:
13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
1-a –уменьшение энтальпии при понижении давления от Р1 до Р2
а-2 –торможение потока за диафрагмой.
Во внешнем адиабатном потоке теплота, выделяющаяся при торможении потока, целиком воспринимается самим потоком рабочего вещества.
Рассмотрим, как уменьшается температура рабочего вещества в процессе дросселирования. Из математического анализа известно, что значение смешанной производной не зависит от последовательности дифференцирования:
13 EMBED Equation.3 1415=13 EMBED Equation.3 1415, рассмотрим это соотношение для случая z=const, то есть dz=0, тогда
(13 EMBED Equation.3 1415)ydx+(13 EMBED Equation.3 1415)xdy=0, откуда (разделим на 13 EMBED Equation.3 1415x)
(13 EMBED Equation.3 1415)y+(13 EMBED Equation.3 1415)x(13 EMBED Equation.3 1415)z=0 (переносим (13 EMBED Equation.3 1415)y)
(13 EMBED Equation.3 1415)x(13 EMBED Equation.3 1415)z=-(13 EMBED Equation.3 1415)y (разделим на (13 EMBED Equation.3 1415)y)
(13 EMBED Equation.3 1415)x(13 EMBED Equation.3 1415)z(13 EMBED Equation.3 1415)y=-1 (4)
Очевидно, что если некоторая величина z=f(y, x), то можно рассматривать величины x=f(z, y) и y=(x,z), то есть уравнение (4) одно, значит связываем между собой величины всех возможных производных этих трех функций. По уравнению (4) для величин T, P, i получаем
(13 EMBED Equation.3 1415)i(13 EMBED Equation.3 1415)T(13 EMBED Equation.3 1415)P=-1 (5)
Из термодинамики известно, что
(13 EMBED Equation.3 1415)P=CP; (13 EMBED Equation.3 1415)T=
·-T(13 EMBED Equation.3 1415)P, тогда из уравнения (5)
следует
(13 EMBED Equation.3 1415)i=13 EMBED Equation.3 1415 (6)
величина (13 EMBED Equation.3 1415)i называется коэффициентом дросселирования или дифференциальным дроссельным эффектом Джоуля-Томсона и обозначается
13 EMBED Equation.3 1415i=(13 EMBED Equation.3 1415)I
Изменение температуры рабочего вещества в процессе дросселирования при конечном перепаде давлений называется интегральным дроссельным эффектом
(Т2-Т1)=13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415idP, где Т1 и Т2 температуры рабочего вещества перед местным сопротивлением и за ним.
Анализ уравнения (6) показывает, что знак коэффициента дросселирования определяется величиной [T(13 EMBED Equation.3 1415)P-13 EMBED Equation.3 1415],
Так как всегда СP >0.
Для идеального газа (13 EMBED Equation.3 1415)P=13 EMBED Equation.3 1415=13 EMBED Equation.3 1415, тогда 13 EMBED Equation.3 1415i=0 - идеальный газ дросселируется без изменения температуры.

3. Адиабатное расширение газов с отдачей внешней работы

При расширении рабочего вещества от давления Р1 до давления Р2 можно получить работу, если этот процесс происходит в расширительном устройстве - детандере (процесс а - в).
13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
В этом случае работа совершается за счет изменения энтальпии расширяющегося рабочего вещества и отводится от детандера.
Рассмотрим, как изменяются параметры рабочего вещества, характеризующие процесс с получением внешней работы. Если процесс расширения с совершением внешней работы осуществляется без потерь и без теплообмена с окружающей средой, то энтропия рабочего вещества не меняется, то есть процесс расширения идет изоэнтропно dS=0. Работа, совершаемая рабочим веществом (а - в), отводится из системы. Так как эта работа совершается за счет энергии рабочего вещества, то его температура в процессе расширения всегда понижается.
Понижение температуры определяется производной (13 EMBED Equation.3 1415)13 EMBED Equation.3 1415, которая может быть названа коэффициентом обратимого адиабатного (изоэнтропного) расширения и по аналогии с 13 EMBED Equation.3 1415 обозначена 13 EMBED Equation.3 1415.
Воспользуемся уравнением (5) для величин T, P, S, тогда

·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415*
·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415*
·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415=-1
С учетом уравнения Максвелла
·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415= -
·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415 и выражением теплоемкости cp=T
·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415, получаем 13 EMBED Equation.3 1415= T
·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415cp.
Сравнивая с коэффициентом дросселирования 13 EMBED Equation.3 1415, получаем
13 EMBED Equation.3 1415-13 EMBED Equation.3 1415=13 EMBED Equation.3 1415 ,
поскольку 13 EMBED Equation.3 1415 и cp всегда положительны, то
13 EMBED Equation.3 1415(13 EMBED Equation.3 1415
Таким образом, процесс адиабатного расширения с получением внешней работы термодинамически более эффективен, чем процесс адиабатного дросселирования. Это видно из диаграммы (процесс а – с - дросселирование).
4. Расширение в вихревой трубе.

Различие в температурах потоков воздуха, движущихся у оси и на перифирии циклона-пылеуловителя экспериментально установлено Ранком в 1933г. и обосновано Хильшем в 1946 году.
Температурное разделение газа на холодный и горячий происходит в вихревой трубе (см. рис.) прямоточного (а) или противоточного (б) типа:
а)
б)
Физическую сущность механизма вихревого охлаждения можно изложить следующим образом:
при адиабатном торможении всего потока он приобретает температуру равную первоначальной. Представим случай когда для совершения внешней работы у потока каким-либо образом отнимается его кинетическая энергия. Тогда поток должен сохранить пониженную температуру, приобретенную им при истечении.
В вихревой трубе такая отдача кинетической энергии от внутренних слоёв воздуха к внешним совершается быстродвижущимся охлаждением воздухом. Т.е. слои воздуха, расположенные у стенки камеры играют роль приемника кинетической энергии.
Отдавая свою кинетическую энергию периферийным слоям газа посредством трения, внутренние слои, охладившиеся при истечении, не успевают получить за счет теплопроводности и конвекции тепло от периферийных слоёв для выравнивания температуры во всем потоке. В результате происходит разделение потока на горячие и холодные части.
Т.е. имеет место де баланс в обмене энергией между газовыми слоями.
Необратимый процесс расширения газа в вихревой трубе предопределяет сравнительно большие энергетические потери. При одинаковой холодопроизводительности воздушной холодильной машины с детандером и холодильной машины с вихревой трубой, вихревая труба потребует примерно 8-и кратного увеличения расхода энергии.
Достоинством вихревой трубы является исключительная конструктивная простота и отсутствие в холодильной машине специального рабочего вещества.
При давлениях газа 0,30,5МПа в вихревой трубе можно получить температуру холодного газа на 3070(С ниже начальной температуры.
5. Термоэлектрическое охлаждение.

Сущность эффекта заключается в появлении разности температур на спаях пары материалов при прохождении через них электрического тока (Эффект Пельтье)
Два полупроводника n и m образуют контур, по которому проходит постоянный ток от источника питания С.
Если температура на спаях Тх станет ниже температуры источника низкой температуры, а температура на горячих спаях Тг выше температуры окружающей среды, то термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины. Снижение температуры спая происходит когда по действием электрического поля электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента, переходят в новое состояние с более высокой энергией. Повышение энергии электронов происходит за счет кинетической энергии, отбираемой из атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжения.
При обратном направлении движения тока электроны, переходя на более низкий энергетический уровень, ожидают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спай термоэлемента.
6. Обратный цикл Карно. Основные характеристики цикла Карно.

Если температура источников в процессе теплообмена не меняется, то единственно возможным циклом, в котором будут соблюдаться условия обратимости, будет цикл Карно.

Процессы сжатия 1–2 и расширения 3–4 идут изоэнтропно, то есть обратимо.
Изотермические процессы теплообмена происходят при температуре рабочего вещества, бесконечно близкой к постоянной температуре источников (источнику низкой температуры и температуры окружающей среды).
Термодинамическая эффективность холодильного цикла характеризуется холодильным коэффициентом
13 EMBED Equation.3 1415,
где 13 EMBED Equation.3 1415 – теплота, подведенная к рабочему веществу от источника низкой температуры;
13 EMBED Equation.3 1415 – работа, затраченная для осуществления обратимого цикла.
Для цикла Карно
13 EMBED Equation.3 1415.
7. Необратимые процессы и циклы. Источники необратимости.

Внутренняя и внешняя необратимость.
Понятие об обратимости процессов имеет важное значение в теории холодильных машин.
Процесс называют обратимым, если после его завершения тела, принимавшие в нем участие, могут быть возвращены в первоначальное состояние, и при этом какие-то дополнительные изменения нигде не возникнут.
Процессы, которые не удовлетворяют этим условиям, называются необратимыми.
Источниками необратимости в холодильных машинах являются:
Внутреннее трение частиц рабочего вещества.
Трение в элементах машины.
Дросселирование, диффузия.
Передача теплоты при конечной разности температур.
Неравновесные фазовые превращения.
Смешение различных компонентов и др.
Важным вопросом является разделение необратимости на внутреннюю и внешнюю.
С достаточной для инженерной практики точностью можно считать, что процесс, в котором соблюдаются условия равновесия внутри тела, отсутствуют внутреннее трение и диффузия, не происходит смешение и химические реакции, является внутренне обратимым.
Внешне обратимым процессом называется процесс, выполняются условия равновесия между рабочим веществом и внешними телами, находящимися с ним во взаимодействии.
Очевидно, что возможны различные сочетания процессов, и их можно классифицировать:
процессы вполне обратимы как внутренне, так и внешне.
процессы внешне обратимые, но необратимые внутренне.
процессы внешне необратимые, но обратимые внутренне.
процессы необратимы как внутренне, так и внешне.
Все без исключения процессы, происходящие в элементах холодильной машины, осуществляющие обратный круговой процесс, относятся к 4-ой группе.

8. Цикл в области влажного пара.

13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
Из испарителя
· пар рабочего вещества всасывается компрессором
·, где изоэнтропно сжимается до давления конденсации Pк (процесс 1-2). Положение точки 1 должно быть таким, чтобы в конце процесса сжатия в компрессоре получался сухой насыщенный пар.
После сжатия рабочее вещество направляется в конденсатор
·, где оно конденсируется за счет отвода теплоты в окружающую среду (процесс 2-3). При этом давление и температура конденсации остаются постоянными.
В процессе 3-4 происходит изоэнтропное расширение рабочего вещества от давления конденсации до давления кипения Pо в детандере
·.
После детандера рабочее вещество в состоянии влажного пара поступает в испаритель, где кипит (процесс 4-1) за счет подвода теплоты от источника низкой температуры. Температура То и давление Pо рабочего вещества в процессе кипения остаются постоянными, так как образовавшийся пар постоянно отсасывается компрессором.
Если внешние источники (ИНТ и окружающая среда) не меняют свою температуру и теплообмен рабочего вещества и внешних источников происходит при бесконечно малой разности температур, то в этом случае рабочее вещество в холодильной машине будет совершать обратный цикл Карно.
Теплота, подведенная к 1 кг рабочего вещества в испарителе, в диаграмме T-S соответствует площади n-1-4-m, которая эквивалентна разности энтальпий i –i .
Эта величина называется удельной холодопроизводительностью q . В диаграмме i-p q соответствует отрезку 1-4.
При сжатии пара в компрессоре затрачивается работа l . Эта работа в диаграмме T-S соответствует площади 1-2-3-0-1; в диаграмме i-p-отрезку под процессом 1-2. В процессе конденсации 2-3 теплота передается окружающей среде. Эта теплота в диаграмме i-p соответствует отрезку 2-3, а в диаграмме T-S-площади n-2-3-m.
В процессе 3-4 происходит расширение рабочего вещества с совершением внешней работы l . Эта работа в диаграмме T-S-площадь 4-3-0-4, в диаграмме i-p-отрезок под процессом 3-4.
Таким образом, основные величины, характеризующие цикл 1-2-3-4, можно вычислить следующим образом:
q0 = i1 – i4 ; lk = i2 – i1 ; q = i2 – i3 ; lд = i3 – i4
Работа цикла равна разности работ затраченной в компрессоре и полученной в детандере:
lц = lk – lд = (i2 – i1) – (i3 – i4) или

lц = q – q0 = (i2 – i3) – (i1 – i4) = (i2 – i1) – (i3 – i4)

Итак, чтобы совершить обратный цикл и перенести теплоту от источника низкой температуры к окружающей среде, необходимо затратить работу lц.
Холодильный коэффициент цикла 1-2-3-4 равен


· = 13 EMBED Equation.3 1415= 13 EMBED Equation.3 1415


9. Цикл с переохлаждением холодильного агента

13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415

13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
В этой схеме жидкое рабочее вещество после конденсатора 2 охлаждается в теплообменнике 3 водой. Вода в теплообменник подается обычно из артезианских скважин.
Из диаграмм видно, что при охлаждении рабочего вещества перед дроссельным вентилем, его удельная холодопроизводительность увеличивается на
·q0, а значит, холодильный коэффициент также увеличивается, так как работа цикла не меняется.

·1 = 13 EMBED Equation.3 1415 >
·2 = 13 EMBED Equation.3 1415
Сравнивая площади можно показать, что необратимые дроссельные потери сокращаются.
10. Регенеративный цикл

Охлаждение жидкого рабочего вещества перед дроссельным вентилем можно осуществить за счет холодного пара, идущего из испарителя, то есть применить регенерацию.
13 EMBED AutoCAD.Drawing.15 1415
Холодный пар рабочего вещества, выходящий из испарителя в состоянии
·, направляется в регенеративный теплообменник, где он нагревается (процесс
· – 1) за счет теплого рабочего вещества, выходящего из конденсатора, которое при этом охлаждается (процесс 3 – 4).
В результате регенерации удельная холодопроизводительность увеличивается на величину
·q0 = i6 – i5, но одновременно увеличивается и работа компрессора на
·lk = площадь 1 – 2 – в –
·.
Эффективность этого метода зависит от отношения
·q0/
·lk, то есть от термодинамических свойств рабочего вещества.
Поэтому регенеративный цикл применяется для рабочих веществ с относительно большими потерями, связанными с дросселированием и относительно малыми потерями, связанными с перегревом рабочего вещества. Такими рабочими веществами является большинство хладонов.
Для веществ, имеющих большие относительные потери от перегрева, например аммиака, применяют схему с водоохлаждаемым теплообменником.
Большинство хладонов имеют хорошую растворимость с маслом, поэтому для хладоновых холодильных машин с поршневыми компрессорами перегревание пара перед всасыванием его в компрессор имеет особое значение. При этом происходит более полное отделение масла, вследствие чего энергетические и объемные коэффициенты компрессора улучшаются.
При отсутствии перегрева рабочего вещества перед всасыванием в компрессор попадают капли масла, содержащие растворенное в них рабочее вещество и капли жидкого рабочего вещества. В процессе обратного расширения в компрессоре происходит выделение рабочего вещества из капель масла и уменьшение полезного объема всасывания. Капли жидкого рабочего вещества, уходящие из испарителя, уменьшают холодопроизводительность машины и могут привести к гидравлическому удару, поэтому регенеративный теплообменник является еще и защитой поршневого компрессора холодильной машины от гидроудара.
Кроме того, попадание капель масла и жидкого рабочего вещества способствует значительной интенсификации теплообмена между паром и стенками цилиндра компрессора и приводит к дополнительным потерям.
Таким образом, применение регенерации с перегревом рабочего вещества перед его всасыванием для хладоновых холодильных машин с поршневыми компрессорами объясняется не только термодинамическими, но и эксплуатационными преимуществами.

11. Термодинамические характеристики рабочих веществ.

К термодинамическим характеристикам хладагентов относятся критические параметры Pkp; Tkp; Vkp, температура кипения при атмосферном давлении Tн, температура затвердевания Тз, постоянная Трушона (М rн / Тн, где М – молярная масса кг/моль, rн – удельная теплота парообразования при давлении 0,1 МПа), теплоемкости, энтропия S и энтальпия.
В области насыщенного пара термодинамические свойства определяются зависимостью давления от температуры P = f (t)
Термодинамические характеристики рабочих веществ влияют на температурыне режимы работы холодильных машин, эффективность термодинамических циклов, показатели и характеристики холодильных машин и компрессоров.

Теплофизические свойства рабочих веществ влияют на интенсивность тепломассопереноса в аппаратах холодильных машин, на сопротивление при движении газообразных и жидких хладагентов системе.
Они определяют значения необратимых потерь в процессах тепломассопереноса и транспортировки рабочих веществ и в конечном итоге определяют энергетическую эффективность и конструктивные особенности холодильной машины.
Для тепломассообмена в аппаратах с высокой интенсивностью желательно иметь хладагенты с ности, плотности, теплоты парообразования и малыми значениями вязкости.
На сопротивление при циркуляции хладагента в системе влияют вязкоть и плотность.
Массовый расход хладагента зависит от теплоты парообразования и уменьшаемая с ее ростом.
Для уменьшения расхода энергии на перекачивание хладагента желательно иметь возможно большие значения теплоты парообразования и наименьшие значения вязкости.
Теплоотдача при кипении и конденсации возрастает (при остальных равных условиях) по мере уменьшения с ростом Ркр при кипении и с понижением Ркр при конденсации.

12. Классификация холодильных агентов по давлению и температурам.

Хладагенты классифицируются по температурам и давлениям.
По давлениям насыщенного пара:
высокого давления (р=27 МПа при t=30 єС) R13; R503; R744; R14; R170.
среднего давления (р=0,32 МПа) R717; R12; R22; R134a; R504; R502; R13B1; R115; R143; R290; R500.
низкого давления (р<0,3 МПа) R11; R21; R12B1; R113; R114; R142; RC318; R718.
По нормальным температурам кипения:
низкотемпературные (t<-60 єС)
среднетемпературные (t=-60-100 єС)
высокотемпературные (t<-10 єС)
Хладагенты высокого давления являются низкотемпературными, низкого давления – высокотемпературными.

13. Формула числового обозначения фреонов.

С тридцатых годов в качестве хладагентов начали применять фреоны – фтор бром хлор производные углеводородов метена, этана, пропана и бутана. Фреон – торговая марка фирмы “Дюпон”, которая в 1928 году синтезировала фреон 12.
Обобщенная химическая формула фреона:
CmHnFxClyBrz ,
где m;n;x;y;z – число атомов химических элементов, входящих в состав данного фреона.
Возможность получения многочисленного ряда определяется зависимостью
n + x + y + z = 2 m + 2
Структура обозначения хладагента состоит из наименования и числа:
Буква R (refrigerant) – хладагент и число, цифры которого связаны с составом молекулы хладагента.
У хладагентов неорганического происхождения цифра соответствует молукулярной массе, увеличченной на 70
Например: вода (Н2О) – R718, аммиак (NH3) – R717, двуокись углерода (CO2) – R744.
Для хладонов – производных метана соединение без атомов водорода записывают цифрой 1, к которой прибавляют цифру, определяющую число атомов фтора.
Например: CF2Cl2 – R12; CF3Cl – R13; CF4 – R14
Для производных этана, пропана и бутана перед цифрой, определяющей число атомов фтора, ставят соответственно 11;21;31
Например: С2F2Cl4 – R112; C2F3Cl3 – R11
C4F7Cl – R317; C3F6Cl2 – R21
При наличии атомов водорода производных метана к первой цифре, а у этана, пропана и бутана – ко второму прибавляют число равное числу незамещенных атомов водорода
Например: CHFCl2 – R21
C2H3F3 – R143
При наличии в молекуле хладона атомов брома к числовомуобозначению добавляют букву В и цифру, соответствующую числу атомов брома.
Например: C2F2Br2 – R12B2
Начиная с галогенопроизводных этана появляются изомеры. Они имеют одинаковые цифровые обозначения и различаются строчной буквой в конце. Симметричный изомер обозначается только цифрами.
Например: CHF2 – CHF2 – R134
CF3CH2F – R134a
У зеотропных смесей указываются виды хладагентов, входящих в смесь и их процентное содержание в смеси.
Например: R22 / R12 (90/10)
Хладагенты располагаются в порядке повышения нормальных температур кипения.
Азеотропный – нераздельно кипящий (однородная смесь не разделяющаяся при кипении). Азеотропные смеси условно обозначают цифрами: R500; R501
Если в молекуле хладона более 10 атомов фтора, последние две цифры отделяются от предыдущих чертой.
Например: C4F10 – R31-10

14. Причины перехода к многоступенчатому сжатию.

При понижении температуры кипения или повышении температуры конденсации рабочего вещества увеличивается степень повышения давления 13 EMBED Equation.3 1415 и разность давлений 13 EMBED Equation.3 1415.
Это ведет к ухудшению объемных и энергетических коэффициентов компрессоров, что увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты на получение искусственного холода при использовании одноступенчатых холодильных машин.
Увеличение степени повышения давления в компрессоре приводит к росту температуры нагнетания, что может вызвать недопустимые температурные деформации, пригорание масла в нагнетательных клапанах. С ростом степени повышения давления уменьшается удельная холодопроизводительность цикла.

С ростом отношения 13 EMBED Equation.3 1415 увеличиваются необратимые потери, связанные с дросселированием, а так же потери, связанные с отводом теплоты перегрева рабочего вещества.
При 13 EMBED Equation.3 1415 необходимо переходить к многоступенчатому сжатию.
15. Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины.


Рабочее вещество кипит в испарителе VIII (процесс 11-1); сжимается в компрессоре первой ступени I (процесс 1-2), охлаждается в промежуточном теплообменнике II (процесс 2-3), затем пар рабочего вещества в состоянии 3 смешивается с холодным паром состояния 8, идущим из промежуточного сосуда VI. После смешения состояние рабочего вещества перед всасыванием в компрессор второй ступени III определяется такой 4.
Далее рабочее вещество сжимается в компрессоре второй ступени (процесс 4 охлаждается и конденсируется: в конденсаторе IV (процесс 5-6) и направляется к промежуточному сосуду.
Перед промежуточным сосудом рабочее вещество делится на два потока: большая часть вещества идет в змеевик промежуточного сосуда, меньшая дросселируется во вспомогательном дроссельном вентиле V (процесс 6-7) до промежуточного давления и поступает в промежуточный сосуд.
В промежуточном сосуде за счет разности плотностей жидкости и пара происходит разделение влажного пара (состояние 7) на жидкость (состояние 9) и сухой насыщенный пар (состояние 8). Сухой насыщенный пар засасывается компрессором второй ступени, а жидкость кипит (процесс 9-8) за счет теплоты, отбираемой от жидкого рабочего вещества, идущего по змеевику. Сухой насыщенный пар, образовавшийся в процессе 9-8, отсасывается компрессором второй ступени. Жидкое рабочее вещество, идущее по змеевику, при этом охлаждается (процесс 6-10) и затем дросселируется в основном дроссельном вентиле VII (процесс 10-11) до давления Р0.
После дросселирования рабочее вещество поступает в испаритель, где кипит при давлении Р0 и температуре Т0.
Промежуточное давление Pm можно определить по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
Задаваясь диапазоном Pm определяют максимальный холодильный коэффициент и Pm .

16. Схема и цикл каскадной холодильной машины.

Каскадные холодильные машины.
В каскадных холодильных машинах используется два (или несколько) рабочих веществ. Одно из них – вещество высокого давления (низкотемпературные рабочие вещества).
Рассмотрим схему и цикл каскадной холодильной машины.

Машина состоит из двух одноступенчатых машин, называемых нижней и верхней ветвью каскада.
В нижней ветви каскада используется рабочее вещество высокого давления, которое получая теплоту от источника низкой температуры в испарителе VII кипит (процесс 4-1), Пар сжимается в компрессоре I (процесс 1-2), охлаждается и конденсируется в конденсаторе-испарителе V (процесс 2-3), затем дросселируемая в дроссельном вентиле VI (процесс 3-4).
Теплота конденсации рабочего вещества нижней ветви каскада отбирается рабочим веществом верхней ветви каскада, это вещество среднего давления, которое кипит в конденсаторе-испарителе.
Пар рабочего вещества верхней ветви каскада сжимается компрессором II (процесс 5-6), затем рабочее вещество верхней ветви каскада направляется в конденсатор III (процесс 6-7), дросселируется в дроссельном вентиле IV (процесс 7-8) и поступает в конденсатор-испаритель.
Таким образом, рабочее вещество в машине нижней ветви каскада совершает цикл 1-2-3-4-1, а в машине верхней ветви каскада – цикл 5-6-7-8-5 эти машины объединяются конденсатором-испарителем.
Для предотвращения от высокого давления, к системе подключают расширительный сосуд VIII.

17. Выбор холодильных агентов и промежуточных температур каскада.

В каскадной холодильной машине состоящей из двух ветвей – нижней и верхней, используются разные рабочие вещества. В нижней ветви каскада – рабочее вещество высокого давления (низкотемпературное), в верхней ветви каскада – рабочее вещество среднего давления.
Хладагенты высокого давления:
R13, R23, этан, диоксид углерода, R503.
Хладагенты среднего давления:
R22, аммиак, R134a, R125, R143a.
Давление кипения нижней ветви P0н и давление конденсации верхней ветви PKB определяются исходя из температур источников так же, как и для других холодильных машин.
Давление конденсации нижней ветви Pкн и давление кипения верхней ветви определяется из условия примерного равенства степеней повышения давлений в нижней и верхней ветвях каскада, то есть
13 EMBED Equation.3 1415,
задаваясь разностью температур в конденсаторе-испарителе:
13 EMBED Equation.3 1415
Оптимизация полученных промежуточных температур может производится по максимальному холодильному коэффициенту ветвей каскада и по минимальной суммарной теоретической объемной производительности компрессоров верхней и нижней ветвей.
18. Сравнительная оценка многоступенчатых и каскадных холодильных машин.

При наличии конечной разности температур в конденсаторе-испарителе, холодильный коэффициент каскадной машины всегда ниже, чем двухступенчатой, так как процесс теплообмена в этом случае ведет к необратимым потерям.
В действительных циклах каскадные машины чаще всего выгоднее двухступенчатых (иногда и трех ступенчатых). Это объясняется следующими преимуществами работы с веществами высокого давления: 1. Теоретический объем компрессора каскадной машины меньше, чем у двухступенчатой из-за меньших удельных объемов всасываемого пара;
При больших значениях давления всасывания (при Тo = -80(С PoR13 = 0,112 МПа, РоR22 = 0,0105 МПа) относительные потери мощности в клапанах компрессора значительно меньше;
Так как VT меньше, то мощность трения каскадных компрессоров меньше, чем в двухступенчатой машине;
Отношение давлений у рабочих веществ каскадной машины меньше. (при Tm = - 40(C и Т0 = -80(С Pm / P0 = 16,8 для R22, и 5,5 для R13), значит энергетические и объемные коэффициенты компрессора нижней ветви каскада выше, чем компрессора нижней ступени двухступенчатой холодильной машины.
При использовании рабочих веществ высокого давления в каскадной машине можно получить более низкие температуры, чем в ступенчатой.


19. Эксплуатационные требования к холодильным агентам.

К рабочим телам, применяемых в холодильных установках, предъявляется ряд особых требований, значительно сокращающих число возможных хладагентов.
Перечислим основные из них:
давление насыщенных паров должно быть выше атмосферного или близким к нему. (сернистый ангидрит при t = -10(C имеет P = 0,101 МПа).
Нежелательно высокое давление пара при температуре конденсации, так как требуется высокая плотность соединений, чтобы избежать утечки. (СО2 при t = -10(С имеет Р = 2,64МПа).
Хладагенты должны иметь большую теплоту парообразования, т.к. она определяет холодопроизводительность в парокомпрессионных установках (хуже СО2 и хладоны)
Рабочее давление хладагентов должно быть значительно ниже критического.
Критическая температура должна быть высокой.
(СО2 tkp = 31,35(C)
Хладагенты не должны обладать коррозирующими свойствами и давать со смазкой химические соединения, нарушающие нормальную работу машины.
Хладагенты не должны оказывать вредного воздействия на здоровье обслуживающего персонала при утечках их паров
В настоящее время на практике применяют около 20 хладагентов.
Самым доступным является вода и воздух.
Применение воды ограничено из-за низкого давления паров (0,796 кПа при 2(С) и больших удельных объемов пара при низких температурах (226 м3/кг при 0(С), возможность применения только при положительных температурах.
Применение воздуха ограничено из-за малой теплоёмкости (около 1 кдж/кг К).


T

s

3

4

1

2

T0



Tос

Тинт

T

s

3

4

5

1

2

6

7

p0; T0

pк; Tк

p/0; T/0

13 EMBED Word.Picture.8 1415



Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native15Times New Roman

Приложенные файлы

  • doc 25958147
    Размер файла: 759 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий