Терехова О.Н. Холодильная техника и технология

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Алтайский государственный технический университет

Им. И. И. Ползунова

Терехова О.Н.

ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ

Сборник примеров расчетов и лабораторных работ

Барнаул, 2005 г.

УДК 664.05:621.56/59 (075.5)

Терехова О.Н. Сборник примеров расчетов и лабораторных работ по

курсу «Холодильная техника и технология» для студентов специальностей

170600 «Машины и аппараты пищевых производств», 270800 «Технология

консервирования» / Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд.-во. АлтГТУ, 2005 г.- 124 с.

Даны основы холодильной техники: физические принципы получения

холода, термодинамические

основы, циклы и типы холодильных машин,

средства автоматизации холодильных установок. Приведены примеры расче-

тов по холодильной технике, методика проведения лабораторных работ по

холодильной технике и технологии.

Предназначен для студентов, обучающихся по специальности «Машины

и аппараты пищевых производств» и «Технология консервирования».

Подписано в печать 24.06.2002 г. Формат 60×84 1/16.

Печать – ризография. Усл.п.л. 1,39. Уч.-изд.л. 16,68.

Тираж 50 экз. Заказ 2003 –

Издательство Алтайскогг государственного технического университета им. И.И. Ползунова,

656099, г.Барнаул, пр-т Ленина,46.

Лицензия на издательскую деятельность

ЛР № 020822 от 21.09.98 г.

Отпечатано в типолграфии АлтГТУ.

Лицензия на полиграфическую деятельность

ПЛД № 28-35 от 15.07.97.

ЧАСТЬ I ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

1 ДИАГРАММА ЦИКЛА И ПРОСТОЙ ЦИКЛ

ПАРОВОЙ КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Диаграмма цикла

Диаграмма цикла цикла паровой компрессионной машины – графическое изображе-

ние процессов, которые претерпевает в ней хладагент. Для того, чтобы было легче понять

цикл паровой компрессионной холодильной машины, ненеобходимо тщательно изучить от-

дельные процессы, входящие в него,

а также связи, существующие между отдельными про-

цессами, и влияние изменений в каком-либо процессе цикла на другие процессы данного

цикла. Это изучение в значительной степени можно упростить, используя диаграммы и схе-

мы с графическим изображением цикла. Графическое изображение холодильного цикла по-

зволяет рассматривать одновременно различные изменения в состоянии хладагента, проис

ходящие в течение цикла, и влияние этих изменений на цикл без воспроизведения в памяти

различных цифровых величин, связанных с циклом.

Наиболее часто применяемыми для анализа холодильного цикла являются диаграмма

энтальпия – давление (i, lgp-диаграмма) и диаграмма энтропия – температура (s,T-

диаграмма), из которых диаграмма энтальпия – давление наиболее полезна, и именно она

рассматривается далее.

Рис.1.1 – Диаграмма энтальпия – давление хладагента R12

Параметры хладагента, находящегося в любом термодинамическом состоянии, могут

быть выражены на диаграмме в виде точки. Точка на диаграмме может быть определена, ес-

ли известны два любых параметра хладагента в данном состоянии.

Рис.1.2 – Часть диаграммы энтальпия – давление, показывающая три зоны и направле-

ние фазового превращения хладагента

На рис. 1.2 показано, что диаграмма разделена на три зоны, отделенные друг от друга

кривыми насыщенной жидкости и насыщенного пара.

Поле на диаграмме, находящееся слева от кривой насыщенной жидкости, обозначает

зону переохлаждения. В любой точке зоны переохлаждения хладагент находится в жидком

состоянии при температуре ниже точки насыщения, соответствующей его давлению. Поле,

расположенное справа от кривой насыщенного пара, является зоной перегретого пара. Часть

диаграммы между кривыми насыщенной жидкости и насыщенного пара является зоной сме-

шения и показывает изменение состояния хладагента при переходе из одной фазы (жидкой) в

другую (пар). Любая точка между двумя кривыми насыщения хладагента характеризует па-

рожидкостную смесь. Расстояние между двумя кривыми вдоль любой кривой постоянного

давления, считываемое на шкале энтальпии в низу диаграммы, - это скрытая теплота парооб-

разования хладагента при данном давлении. Кривые насыщенной жидкости и насыщенного

пара не совсем параллельны друг другу, так как скрытая теплота парообразования хладаген-

та зависит от изменения давления, при котором происходит фазовое превращение.

Фазовый переход от жидкости к пару на диаграмме происходит слева направо, а из

пара в жидкость – справа налево. Парожидкостная смесь вблизи кривой насыщенной жидко-

сти состоит в основном из жидкости, а вблизи кривой насыщенного пара – из пара.

Рис. 1.3 – Часть диаграммы энтальпия – давление, на которой показаны кривые посто-

янных давления, температуры, объема, сухости пара, энтальпии и энтропии хладагента R12.

Постоянное давление

Постоянная энтальпия

const

=15°C

const

=15°C

const

=15°C

0.25

Абсолютное давление, Мпа

Энтальпия, кДж/кг

300

Зона фазового

превращения

(хладагент в виде

паржидкостной смеси)

Конденсация пара

Кипение жидкости

Кривая насыщения жидкости

Кривая насыщения пара

Зона

перегретого

пара

Зона

переохл.

жидкости

Энтальпия,кДж/кг

Абсолютное давление, МПа

Кривые постоянного паросодержания (рис. 1.3), идущие сверху вниз через центр диа-

граммы и примерно параллельно кривым насыщенной жидкости, показывают массовую до-

лю (в %) пара в смеси. Например, в любой точке на кривой постоянного паросодержания,

которая ближе всего расположена к кривой насыщенной жидкости, массовая доля пара в па-

рожидкостной смеси 10 %. Подобным образом в любой точке на кривой постоянного паро-

содержания, ближе всего расположенной к кривой насыщенного пара, массовая доля пара в

парожидкостной смеси составляет 90 %. В любой точке на левой пограничной кривой хлада-

гент представляет собой насыщенную жидкость, а в любой точке на правой пограничной

кривой – насыщенный пар.

Горизонтальные линии, проходящие поперек диаграммы, - это линии постоянного

давления, а вертикальные линии – линии постоянной энтальпии.

Кривые постоянной температуры в зоне переохлаждения почти вертикальны на диа-

грамме и параллельны кривым постоянной энтальпии. В центральной части диаграммы, в

связи с тем что фазовое состояние хладагента меняется при постоянных температуре и дав-

лении, линии постоянной температуры параллельны линиям постоянного давления. На кри-

вой насыщенного пара линии постоянной температуры снова изменяют свое направление и в

зоне перегретого пара резко идут вниз.

Прямые линии, которые проходят по диагонали и почти вертикально в зоне перегре-

того пара, являются кривыми постоянной энтропии. Почти горизонтальные линии, пересе-

кающие зону перегретого пара, - это кривые постоянного объема.

Значение любых параметров хладагента, которые играют определенную роль в холо-

дильном цикле, считывается непосредственно на диаграмме в любой точке, где значение

данного параметра особенно важно. В целях упрощения на диаграмму нанесено минималь-

ное количество кривых. По этой причине значения параметров хладагента, которые не име-

ют особой важности в некоторых точках цикла, на диаграмме опущены. Например, в зоне

изменения параметров жидкого хладагента и в зоне фазового перехода (в центре диаграммы)

значения энтропии и объема не представляют особого интереса и поэтому не указаны.

На диаграмме энтальпия – давление приведены удельные значения основных пара-

метров. Например, объем выражен в виде удельного объема в м

/кг, энтальпия – в кДж/кг, а

энтропия – в кДж/(кг·К). Значения энтальпии находят на горизонтальной шкале внизу диа-

граммы, а значения энтропии и объема приведены рядом с кривыми энтропии и объема соот-

ветственно. Исходная точка шкалы энтальпии установлена произвольно на 200 кДж/кг для

жидкости при 0ºС. Подобным же образом исходная точка для шкалы энтропии – это 1

кДж/(кг·К) для жидкости при 0ºС.

Величина абсолютного давления в Па·10

считывается на вертикальной шкале, нахо-

дящейся слева диаграммы. Значения температуры в градусах Цельсия расположены рядом с

кривыми постоянной температуры в зонах переохлаждения и перегрева, а также на кривых

насыщенной жидкости и пара.

Простой цикл паровой компрессионной холодильной машины

Простым циклом паровой компрессионной холодильной машины считается теорети-

ческий цикл, в котором пар хладагента выходит из испарителя и подается в компрессор в со-

стоянии насыщения при температуре и давлении парообразования, а жидкость выходит из

конденсатора и поступает в регулятор расхода хладагента в состоянии насыщения при тем-

пературе и давлении конденсации. Холодильный цикл действительной холодильной машины

несколько отличается от простого цикла паровой компрессионной холодильной машины, но

тем не менее его анализ представляет интерес. В таком цикле процессы, которые являются

основой каждого действительного цикла паровой компрессионной машины, легко поддаются

определению и пониманию. Кроме того, простой цикл можно считать типичным для сравне-

ния с действительным циклом, относительную эффективность которого легко определить

при различных условиях.

Рисунок 1.4 – Диаграмма энтальпия – давление простой паровой компрессионной машины, ра-

ботающей при температуре кипения – 5ºС и температуре конденсации 40ºС

На рис. 1.4 показан простой цикл паровой компрессионной машины на R12, нанесен-

ный на диаграмму энтальпия – давление. Принимается, что машина работает при температу-

ре кипения хладагента – 5ºС и температуре конденсации 40ºС. Точка А, В, С, D и E на диа-

грамме энтальпия – давление соответствуют точкам на схеме холодильной машины, пока-

занной на рис. 1.5.

А 40

В -5

Абсолютное давление, МПа

Энтальпия, кДж/кг

349,32

E D

367,15

372,4

0,961

Конденсация

Скрытая теплота парообразования

Количество теплоты, отведенное

от хладагента в конденсаторе

Теплота

сжатия

Кипение

Скрытая теплота парообразо-

вания, отведенная от хладаген-

та в конденсаторе

Потери

Перегрев

(сухая теплота)

Рисунок 1.5 – Точки цикла на схеме простой паровой компрессионной машины

А – пар полностью сконденсировался; В – хладагент после регулятора расхода; С – вся

жидкость выкипела; D – нагнетание пара компрессором; Е – начало конденсации.

Точка A – это некоторая точка в нижней части конденсатора, где завершается процесс

конденсации и хладагент является насыщенной жидкостью при температуре и давлении кон-

денсации. Свойства хладагента в этой точке следующие: p = 0,961 МПа; T = 40ºС; i = 238,535

кДж/кг; S = 1,12984 кДж/(кг·К); V = 0,79802 л/кг.

В точке А значения p,T и i могут считываться непосредственно на диаграмме. Хлада-

гент в точке А всегда представляет собой насыщенную жидкость. Если известны значения p

и T, то из точки А следует опустить вертикальную линию до пересечения с горизонтальной

шкалой и определить значение i. На практике легко замерить значения p и T.

Процесс дросселирования

Считается, что в простом цикле паровой компрессионной машины параметры (со-

стояние) жидкого хладагента не изменяются при прохождении через жидкостный трубопро-

вод от конденсатора к регулятору расхода и состояние жидкости на входе в регулятор такое

же, как в точке А (см. рис.1.4). Процесс, обозначенный линией А – В, которая ограничена

точками начального и конечного состояний хладагента, происходит в регуляторе расхода,

при прохождении через который давление жидкости понижается от давления конденсации

до давления кипения. Когда жидкость дросселируется в отверстии регулятора и поступает в

испаритель, её температура понижается от температуры конденсации до температуры кипе-

ния путем мгновенного испарения части жидкости.

Процесс, обозначенный линией А – В, – это дроссельный вид адиабатного расшире-

ния, при котором энтальпия рабочего тела не изменяется в течение всего процесса. Предпо-

лагается, что процесс происходит без притока или потери теплоты через трубы или регуля-

тор, а также без совершения полезной работы.

Энтальпия хладагента не меняется во время процесса А – В. Поэтому точку В опреде-

ляют на диаграмме энтальпия – давление, проходят от точки А вертикальную линию (посто-

янной энтальпии) до пересечения с линией постоянного давления, соответствующей давле-

нию кипения. Чтобы найти на диаграмме точку В, необходимо знать давление или темпера-

туру кипения хладагента.

В результате частичного испарения жидкости в процессе А – В в точке В хладагент

представлят собой парожидкостную смесь со следующими характеристиками: p = 0,261

изменения пара-

метров.

компрессор без

испарителя в

проходит из из

Всасываемый пар

без изменения параметров.

лятор подачи хладагента

из рессивера в регу-

Жидкость поступает

МПа; T = -5ºC; i = 238,535 кДж/кг (та же, что и в точке А); V = 18,696 л/кг; S = 1,438

кДж/(кг·К).

Изменение энтропии в процессе А – В происходит в результате того, что жидкий хла-

дагент дросселируется без совершения полезной работы, а также в результате передачи энер-

гии в форме теплоты в самой жидкости. При передаче теплоты энтальпия жидкости остается

той же, а изменяется только энтропия.

В точке В на диаграмме энтальпия – давление кроме значений р,Т,i можно определить

приблизительно содержание пара в смеси. В рассматриваемом случае паросодержание, опре-

деленное с помощью диаграммы, примерно составляет 28%.

Точка В характеризует хладагент, находящийся в состоянии парожидкостной смеси, и

поэтому по таблцие можно определить только значения р и Т. Однако энтальпия хладагента

в точках А и В одинакова, и поэтому энтальпию в точке В можно найти по таблице как эн-

тальпию хладагента с параметрами в точке А. Паросодержание в точке В можно определить,

как указывалось выше, используя значения

энтальпии, приведенные в таблице или на диа-

грамме давление – энтальпия.

Значения S и V в точке В обычно не представляют интереса, и поэтому они не приве-

дены ни на диаграмме, ни в таблицах. Если эти значения необходимы, то их вычисляют, как

описывалось ранее.

Процесс кипения хладагента

Линия В – С характеризует

процесс кипения хладагента в испарителе. Кипение про-

исходит при постоянной температуре и давлении, следовательно, процесс В – С является од-

новременно как изотермическим, так и изобарическим. Поэтому точку С можно определить

на диаграмме, если провести горизонтальную линию из точки В до пересечения с кривой на-

сыщенного пара. В точке С хладагент выкипает полностью и превращается в насыщенный

пар при температуре и давлении кипения. Параметры хладагента в точке С, которые можно

определить по таблице или на диаграмме энтальпия – давление, следующие: p = 0,261 МПа

(то же, что и в точке В); T = -5ºC(та же, что и в точке В); i = 349,321 кДж/кг; V = 64,963 л/кг;

S = 1,5571 кДж/(кг·К).

Энтальпия хладагента в процессе, обозначенном линией В – С, повышается, так как

он проходит через испаритель и поглощает теплоту из охлаждаемого пространства. Количе-

ство поглощенной хладагентом в испарителе теплоты (удельная холодопроизводительность)

– это разность между энтальпией хладагента в точках В и С. Таким образом, если i

обозначают энтальпию хладагента в точках A,B,C,D,E и x соответственно, то

= i

- i

(218)

где q

– удельная холодопроизводительность, кДж/кг.

Но так как

= i

, то q

= i

– i

. (219)

сделав подстановку соответствующих значений в уравнение (218) для рассматриваемого

примера, находим q

= 349,32 – 238,54 = 110,78 кДж/кг.

На диаграмме расстояние между точками x и С обозначает общее количество скры-

той теплоты парообразования 1 кг R12 при давлении кипения 0,261 МПа Поэтому расстоя-

ние от точки В до точки С – это полезная удельная холодопроизводительность, а разность

между x – С и В – С, т. е. расстояние от точки x до точки В, - это потери удельной холодо-

производительности.

Процесс сжатия

В простом цикле паровой компрессионной машины предполагается, что состояние

хладагента не меняется при прохождении через всасывающий трубопровод от испарителя к

компрессору. Процесс в компрессоре, протекающий по линии С – D, характеризует сжатие

пара от давления кипения до давления конденсации. В простом цикле принимается, что про-

цесс сжатия по линии С – D изоэнтропный. Изоэнтропное сжатие – это особый адиабатный

процесс, который происходит без трения. Иногда этот процесс описывается как процесс

адиабатного сжатия без трения или сжатия при постоянной энтропии.

В процессе, протекающем по линии С – D, энтропия пара не изменяется, т. е. энтро-

пия хладагента в точке D та же, что и в точке С. поэтому точку D можно определить на диа-

грамме энтальпия – давление, если из точки С провести линию, параллельную линии посто-

янной энтропии, до пересечения с линией постоянного давления, соответствующей давле-

нию конденсации.

В точке D хладагент находится в виде перегретого пара при давлении конденсации

0,961 МПа, соответствующем температуре конденсации (насыщения) 40ºC. Процесс сжатия

изоэнтропичен (при постоянной энтропии), т. е. энтропия перегретого пара та же, что и у на-

сыщенного пара в точке С, т. е. 1,5571 кДж/(кг·К). Интерполяцией (см. табл. 11.1) можно оп-

ределить, что температура, энтальпия и удельный объем перегретого пара R12 при темпера-

туре насыщения 40ºC и энтропии 1,5571 кДж/(кг·К) равны 46,75ºC, 372,4 кДж/кг и 18,9447

л/кг соответственно.

Таблица 1-Параметры перегретого пара R12 при температуре конденсации 40ºC и

давлении 0,961 МПа

Температура Т,

ºС

Удельный объем V,

/кг

Энтальпия i,

кДж/кг

Энтропия S,

кДж/(кг·К)

40 18,1706 367,146 1,5405

45 18,7495 371,054 1,5529

46,75 18,9447 372,403 1,5571

50 19,3072 374,904 1,5649

55 19,8469 378,708 1,5766

60 20,3711 382,475 1,5880

По диаграмме энтальпия – давление можно определить также все параметры хлада-

гента в точке D. Однако значения T, i и V требуют интерполяции и несколько менее точны,

чем приведенные в табл.1.

В течение процесса сжатия (линия C – D) компрессор совершает работу. Поэтому

энергия (энтальпия) пара увеличивается пропорционально количеству совершенной механи-

ческой работы. Энергетический эквивалент работы, совершенной в процессе сжатия, часто

называют теплотой сжатия, и он равен разности между энтальпиями хладагента в точках D и

C, где q

– это работа (теплота) сжатия, отнесенная к 1 кг циркулирующего хладагента:

= i

– i

Для рассматриваемого примера q

= 372,4 – 349,32 = 23,08 кДж/кг.

Поглощая теплоту сжатия, горячий пар, нагнетаемый компрессором, находится в пе-

регретом состоянии, т. е. его температура выше температуры насыщения. В данном случае

пар выходит из компрессора с температурой 46,75ºC, а температура насыщения, соответст-

вующая его давлению в 0,961 МПа, составляет 40ºC. Чтобы создать условия для конденсации

пара, его температуру необходимо снизить до температуры насыщения.

Процесс конденсации

Обычно процессы, обозначенные на диаграмме линиями D – E и Е – А, происходят в

конденсаторе. Здесь горячий пар, нагнетаемый компрессором, охлаждается до температуры

конденсации и конденсируется. Линия D – E характеризует процесс, происходящий в верх-

ней части конденсатора и в некоторой степени в нагнетательном трубопроводе. Пар охлаж-

дается от температуры нагнетания до температуры конденсации, передавая теплоту охлаж-

дающей среде. В процессе по линии D – E давление пара остается постоянным, и точку Е

можно определить на диаграмме энтальпия – давление, если провести горизонтальную ли-

нию из точки D до пересечения с кривой насыщенного пара.

В точке Е хладагент в состоянии насыщенного пара при температуре и давлении кон-

денсации. Ниже приведены его данные, определенные на диаграмме или по табл. 12.1 p =

0,961 МПа (то же, что и в точке D); T = 40ºC; i = 367,146 кДж/кг; V = 18,171 л/кг; S =

1,54051 кДж/(кг·К).

Теплота перегрева, отведенная от 1 кг пара в конденсаторе при его охлаждении от

температуры нагнетания до температуры конденсации, - это разность между энтальпией хла-

дагента в точке D и энтальпией в точке Е (i

- i

Линия Е – А характеризует процесс конденсации пара в конденсаторе. Конденсация

происходит при постоянной температуре и давлении. Поэтому процесс характеризуется ли-

нией Е – А, параллельной горизонтальной шкале. Теплота, отведенная от охлаждающей сре-

ды в процессе, протекающем по Е – А, - это разность между энтальпией хладагента в точках

Е – А (i

- i

Возвращаясь в точку А, хладагент совершил один полный цикл, и его параметры те

же, что и ранее в той же точке А.

Оба процесса, характеризуемые линиями D – E и Е – А, происходят в конденсаторе, и

общее количество теплоты, отданной хладагентом в конденсаторе охлаждающей среде, - это

сумма теплоты, отведенной в процессах, протекаемых по линиям D – E и Е – А. Общее коли-

чество отданной хладагентом в конденсаторе теплоты – это разность между энтальпией пе-

регретого пара в точке D и насыщенной жидкости в точке А.

Следовательно

= i

– i

, (1)

где q

– теплота, отведенная в конденсаторе от 1 кг циркулирующего хладагента, кДж/кг.

В данном случае q

= 372,4 кДж/кг – 238,54 кДж/кг = 133,86 кДж/кг.

Если хладагент должен достичь точки А в конце цикла при тех же параметрах, кото-

рые он имел в начале цикла (точка А), то общее количество отданной хладагентом в конден-

саторе теплоты должно быть точно равно количеству теплоты, поглащенной хладагентом во

всех других точках цикла. В простом цикле паровой компрессионной машины энергия хла-

дагента в виде теплоты увеличивается, во-первых, за счет теплоты, поглощенной из охлаж-

даемого пространства при кипении хладагента в испарителе (q

), во-вторых, за счет механи-

ческой работы сжатия в компрессоре, учитываемой энергетическим эквивалентом (q

Поэтому:

= q

+ q

. (2)

В данном случае q

= 110,78 кДж/кг + 23,08 кДж/кг = 133,86 кДж/кг.