Термодинамические основы холодильных машин

Лаборатории работа № 6

Термодинамические основы холодильных  машин 

    Многие  технологические процессы в сельском хозяйстве проводятся при более  низких температурах, чем те, которые  могут быть получены при естественном охлаждении водой или воздухом.

    Получение искусственного холода за счет работы холодильных машин основано на том, что от охлаждаемой среды отнимается тепло и передается телу, имеющему высокую температуру.

    Согласно  II закону термодинамики такой процесс возможно осуществить только при дополнительной затрате работы, что в холодильных установках, работающих по обратному циклу. Основным показателем работы холодильной установки является - холодильный коэффициент:

          где: Q₂ - холодопроизводительность установки - количество тепла,   отнятого от охлаждаемой среды холодильным агрегатом в единицу времени, кВт.

                  L - расход энергии или работы, затрачиваемой на перевод хладоагрегата с нижнего температурного уровня на верхний.

    Хладоагрегаты в холодильных установках могут либо изменять свое      агрегатное состояние кипеть, конденсироваться, либо не изменять. В первом случае холодильные установки называются - паровыми холодильными установками. Рабочие тела здесь - жидкости с низкими температурами кипения   при атмосферном давлении. Наиболее распространенными из них являются аммиак NНз, фреон - 12 CFзСl₂, фреон - 22 СНF₂С1. Фреон - 12 кипит при нормальном атмосферном давлении при -29,8 С, фреон - 22 при -40,8°С, аммиак при -33,4°С. В процессе кипения жидкий холодильный агент интенсивно испаряется, поглощая теплоту из окружающей среды. Циркулируя в установке, холодильный агрегат все время изменяет свое агрегатное состояние, превращаясь из жидкости в пар, а из пара снова в жидкость.

    В некоторых паровых холодильных  машинах в качестве рабочего тела используют и воду. В охлаждающих аппаратах таких машин создается значительное разрежение.

    Холодильные машины или установки, в которых  рабочее тело не меняет агрегатного  состояния, называют газовыми или воздушными холодильными машинами.

    Наиболее  совершенным холодильным циклом, в котором затрачивается наименьшее количество работы для получения  определенного охлаждающего эффекта, является обратный цикл.

    Этот цикл состоит из 2-х изотермических 4-1 и 2-3 адиабатических процессов 1-2 и 3-4. В изотермическом процессе 4-1 к рабочему телу подводится тепло q₁ от охлаждаемой среды (пл. а 1-4 в в Т-S коорд). Среда при этом охлаждается, температура рабочего тела не изменяется. Адиабатический процесс сжатия рабочего тела 1-2 совершается без теплообмена с окружающей средой, а температура рабочего тела при этом повышается от t₁ до t₂. Далее следует изотермический процесс 2-3, в результате которого от тела отводится тепло q₁ к теплоприемнику плошали а-2-3-в в Т-S координатах. Температура рабочего тела остается постоянной. И, наконец, адиабатическое расширение рабочего тела процесс 3-4 в котором, температура рабочего тела падает t₂ до t₁.

    Для осуществления изотермических процессов  подвода и отвода тепла 4-1 и 2-3 предлагается наличие 2-х бесконечно больших тел охлаждаемого и охлаждающего температура которых, не, изменяется. 

    Принципиальные  схемы и циклы  воздушной и паровой  холодильной установок.

    Реальные  циклы в значительной степени  отличаются от обратного цикла Карно.

    После адиабатного сжатия в компрессоре 1-2 пары хладогента поступают в конденсатор 6 и там при Р₂ = const «охлаждаются».

    Это «охлаждение», в зависимости от интенсивности  работы конденсатора может включать в себя следующие стадии:

    I.   1) Охлаждение паров до температуры конденсации 2-2".

        2) Полностью конденсация 2"-3'.

    II.  1) Охлаждение паров хладогента до температуры конденсации 2-2".

          2) Конденсация паров хладогента 2"-3'.

          3)Переохлаждение жидкого холодильного  агента перед    дросселированием, т.е. охлаждение его до температуры ниже температуры конденсации.                                  

       3"-3 - Этот процесс также проходит при Р₂ = соnst, который в Т-s координатах совпадает с нижней пограничной кривой.

    Затем следует процесс дросселирования 3'-4' или 3-4, в результате которого сильно уменьшается давление и температура холодильного агрегата.

    По  линии 4'-1 или 4-1 протекает процесс  испарения хладогента при Р₁ = cоnst и t₁ = соnst.

    В результате дросселирования рабочего тела имеем уменьшение холодопроизводительности цикла площадь 4-5-6-3 - рассмотрена для цикла с переохлаждением и увеличение работы цикла, по сравнению с работой в цикле Карно площадь 4-5-6-7-3-4.

    Но, тем не менее, современные газовые  холодильные  установки включают в себя не детандер, а дроссельный  вентиль.

      Такая замена объясняется тем, что в цикле паровой холодильной машины работа расширения в процессе 3-4 или 3'-4 составляет небольшую часть работы цикла, а изготовление расширительного цилиндра практически представляет большие трудности.

      Регулирующий вентиль прост по устройству и дает возможность легко  регулировать работу холодильной машины.

    Интересен цикл абсорбционной холодильной  установки, позволяющей практически  избежать затрат механический энергии.

    В десорбере  под действием тепла  из водоамиачного раствора испаряется аммиак. Газообразный аммиак через верхнюю часть десорбера отводится на конденсацию, а после дросселирования жидкий аммиак подается в холодильную камеру, где он испаряется. Пары аммиака из испарителя направляются в абсорбер, орошаемый слабым раствором аммиака из десорбера, и поглощаются этим слабым раствором. Абсорбер для повышения растворимости аммиака охлаждается холодной водой. Затем высококонцентрированный раствор аммиака насосом подается в десорбер и процессы повторяются.

    Лабораторные  установки

      Агрегат типа МРФ-01. Паспортная  холодопроизводительность 1100

 ккал/час  = 1,27 кВт. Агрегат смонтирован  на раме. На раме укреплен двухцилиндровый  компрессор с приводом конденсатор-холодильник  радиаторного типа и рессивер. Испаритель в виде змеевика помешен внутрь холодильного шкафа. Дроссельный вентиль расположен на входе в испаритель. Привод компрессора включает ременную передачу с передаточным числом i = 2 и электродвигатель с установочной мощностью 1 кВт, числом оборотов 1410 об/мин.

    На  раме укреплен двухцилиндровый компрессор с приводом, конденсатор-холодильник радиаторного типа и рессивер. Испаритель в виде змеевика помещен внутрь холодильного шкафа, дроссельный вентиль, расположен на входе в испаритель. На вал электродвигателя, кроме шкива ременной передачи насажено лопастное колесо осевого вентилятора, подающего воздух на конденсатор. Компрессор снабжен реле давления типа РД-1, которое отключает электродвигатель при превышении заданного давления на нагнетательной линии или понижении давления испарения ниже заданной величины. Включение электродвигателя осуществляется кнопочным включателем через магнитный пускатель.

    Холодильный агрегат ХАД-3. Абсорбционно-диффузионного действия. Предназначен для бытового холодильника «Кавказ», «Дон» и др. Конструктивная схема агрегата имеет существенные отличия от принципиальной схемы абсорбционного холодильника, описанной ранее. В качестве хладогента в агрегате ХАД-3 используется водоаммиачный раствор.

    Нагреватель нагревает трубу генератора и  термосифон. Под действием тепла из водоаммиачного раствора испаряется аммиак, который по трубе подает в  конденсатор, проходя через конденсатор, пары NН₃ охлаждаются и из газообразного состояния переходят в жидкое. Жидкий NH₃ поступает в испаритель, т.к. здесь давление ниже, чем в конденсаторе, жидкий  NH₃ испаряется,  отнимая  тепло  от  стенок  испарителя  и  соприкасающегося с ним воздуха. Пары  NH₃ отводятся из испарителя потоком водорода, водород выполняет роль, газоносителя. Водород, насыщенный парами NH₃ проходит по наружной трубе газового теплообменника и снизу поступает в змеевик абсорбера, а сверху по этому змеевику стекает обедненный водоаммиачный раствор в генератор, который поглощает пары NH₃ отведенные водородом из испарителя, водород при этом освобождается и по внутренней трубе снова поступает в испаритель и укрепляется, концентрация раствора повышается.

    Укрепленный раствор NH₃ скопляется в бачке и из него по внутренней трубке теплообменника поступает в термосифон  и все процессы повторяются вновь.

    Так осуществляется работа безнасосного абсорбционного холодильного агрегата. Движение водоаммиачного холодильного агрегата. Движение водоаммиачного раствора по замкнутому контуру происходит благодаря термосифону. Нагреватель холодильника электрический, трехсекционный. Степень нагрева, а, следовательно, и холодопроизводительность агрегата регулируется трех позиционным переключателем.