Холодильная машина состоит из комплекса технических элементов, при посредстве которых за счёт потребляемой при этом энергии происходит перенос теп - ла от источника низкой температуры - теплоотдатчика - к источнику с более высокой температурой - теплоприёмнику. Обычно холодильная машина переносит тепло от источника, температура которого ниже окружающей среды, воде или воздуху; в этом случае машина служит для охлаждения или поддержания низких температур в определённом объёме - холодильной камере.

При помощи холодильной машины тепло можно перенести к источнику, температура которого значительно выше окружающей среды. Это тепло можно полезно использовать, например, для отопления. В этом случае холодильную машину принято называть тепловым насосом.

По виду затрачиваемой энергии холодильные машины разделяются на компрессионные, теплоиспользующие и термоэлектрические. Компрессионные машины потребляют механическую энергию, теплоиспользующие - тепловую энергию источников тепла с температурой выше окружающей среды, термоэлектрические машины используют непосредственно электрическую энергию.

Для расчёта, конструирования и эксплуатации холодильных машин необходимо знание сопротивления материалов, теории машин и механизмов, деталей машин, электротехники.

Над созданием первых холодильных машин работали многие учённые, изобретатели и инженеры. В развитие теории холодильных машин внесли большой вклад советские учёные - П.Л. Капица, А.А. Саткевич, В.С. Мартыновский, И.П. Усюкин, И.И. Левин, Ф.М. Чистяков, В.М. Бродянский, В.Е. Цыдзик и др.

Холодильные машины применяются в пищевой, мясоперерабатывающей, молочной промышленности и сельском хозяйстве для замораживания и хранения пищевых продуктов, в химической и нефтеперерабатывающей промышленности при производстве синтетических волокон, каучука, спирта и т.д.; для кондиционирования воздуха в промышленных цехах предприятий, в общественных и административных зданиях и в бытовых помещениях, в горно-металлургической промышленности при проходке неустойчивых пластов грунта и т.д.

1. Расчёт идеального цикла воздушной холодильной машины

1. Исходные данные:

Q₀=145 кВт;

Р₁=0,1 МПа;

Т₁=273 К;

Т₃=342 К;

_к= 5,7;

_к - изменяемый параметр;

к - показатель адиабаты,

к =;

_к=; =>

P₂=P_1?к, P₂ =0,1·10⁶ Па·5,7=0,57·10⁶ Па=0,57 МПа;

P₂= P_3, P₁=P_4.

R=.

2. Определение параметров воздуха в характерных точках цикла ВХМ.

Рабочее тело ВХМ (воздух) рассматриваем как идеальный газ. Параметры р, V, T находятся с помощью уравнения состояния идеального газа и уравнения адиабатного процесса:

P₁V₁ =T₁ R - уравнение состояния идеального газа;

V₁= , V₁ = =0,7835 м³/ кг.

- уравнение адиабаты;

м³/ кг

P₂ V₂ =T₂ R;

T₂ = , T₂ = =449 К.

P₃ V₃ =T₃ R;

V₃ = , V₃ = = 0,1722 м³/кг.

,

0,5969 м³/кг.

P₄ V₄ =T₄ R;

T₄ = , T₄ = 208 К.

Значение энтальпий h и внутренней энергии U воздуха выбираются для соответствующих температур из справочных таблиц термодинамических функций. Расчёт энтропии S для характерных состояний цикла рекомендуется провести по методу "конечной энтропии". Отсчёт S принимается от нормальных условий (Р₀=101325Па и Т=273,15К), т.е. энтропия газа при этих условиях принимается равной нулю (S=0).

Согласно этому методу, для первой точки цикла энтропия будет равна:

= --R·,

идеальный цикл холодильная машина

где разность - учитывает изменение энтропии в зависимости от температуры, а член Rln (P₁/P₀) учитывает влияние давления на энтропию. Величина берётся из справочных таблиц /2/ при Т₁, а значение - при Т=273,15К;

t₁ =273 - 273= 0?С => =6,6103 ;

t₀ = 273 - 273= 0?С => =6,6103 ;

S₁=S⁰₁ - S⁰₀-Rln (P₁/P₀)

S₁ =6,6103-6,6103-0,287· ln () = 0,003778 .

Для точки 2 S₂=S₁, так как процесс 1-2 изоэнтропный.

Для точки 3 цикла энтропия будет равна:

= - - R·;

где и берётся из справочных таблиц по значениям температур Т₃ и Т₀ соответственно:

t₃= 342 - 273 =69?С,

=> = 6,83664 ;

S₃=6,83664-6,6103-0,287·ln () = - 0,269396,

Для точки 4 цикла S₄=S₃, так как процесс 3-4 изоэнтропный.

Результаты расчётов параметров сводим в таблицу 1.

Таблица №1.

3. Построение цикла ВХМ в pV - и TS - диаграммах

На основе таблицы 1 методического указания построим цикл ВХМ в pV - диаграмме. Для построения адиабат 1-2 и 3-4 в pV - диаграмме дополнительно вычисляем параметры промежуточных точек 5 и 6 на этих адиабатах. Для промежуточных точек выбирается значение удельного объёма:

V₅= 0,5 · (V₁ + V₂) = 0,5 · (0,7835+0,226) = 0,5048 ;

V₆ = 0,5 · (V₃ + V ₄) = 0,5 · (0,1722+0,5969) = 0,3846 ;

Затем из первого уравнения адиабатного процесса вычисляем значение давления Р₅ и Р₆ на адиабатах 1-2 и 3-4 соответственно:

Для промежуточных точек вычисляем значение давлений:

,

.

Нанесём характерные точки цикла в pV - диаграмме (в масштабе) и соединяем их линиями (1-5-2; 2-3; 3-6-4; 4-1).

В TS - диаграмме адиабаты 1-2 и 3-4 изображаются вертикальными линиями. Для построения изобар дополнительно вычисляются параметры промежуточных точек 7 и 8. Промежуточную точку определим по температуре:

T₇= 0,5 · (T₃ + T₂) = 0,5 · (342+449) = 395,5 K.

По этой температуре вычисляем соответствующее значение энтропии:

t₇ = 395,5 - 273 = 122,5 ?С,

= 6,9833 ,

где S₇⁰ берём из справочных данных их таблицы /2/ по значению Т_7.

S₇ = S - S _- Rln,

S₇=6,9833-6,6103-0,287·ln () = - 0,1227 ,

Для изображения изобары 4-1 выбираем промежуточную температуру Т ₈:

T₈=0,5 (T₄ +T₁) = 0,5 (208 +273) = 240,5 K,

затем вычисляем энтропию:

t = 240,5 - 273 = - 32,5 К,

= 6,4833 ,

где значение взят из справочных данных таблицы /2/ по Т₈:

S₈ = S - S - R ln ,

S₈=6,4833-6,6103-0,287·ln () = - 0,1232 ,

По полученным значениям S₈, S₇ и на основе таблицы 1 наносим характерные точки 1; 2; 3; 4; 8; 7; на TS - диаграмме (в масштабе) и соединяем их линиями (1-2; 2-7-3; 3-4; 4-8-1).

4. Определение изменения параметров dU, dh, dS и величин q и l во всех процессах цикла ВХМ.

?U_1-2 = U₂ - U₁= 322,11 - 194,9 = 127,21 кДж / кг;

?U_2-3 = U_{3 -} U₂ = 244,42 - 322,11 = - 77,69 кДж / кг;

?U_3-4 = U₄ - U₃ = 148,39 - 244,42 = - 96,03 кДж / кг;

?U_4-1 = U₁ - U₄ = 194,9 - 148,39 = 46,51 кДж / кг.

?h_1-2 = h₂ - h₁ = 451,06 - 273,32 = 177,74 кДж / кг;

?h_2-3 = h₃ - h₂ = 342,65 - 451,06 = - 108,41 кДж / кг;

?h_3-4= h₄ - h₃ = 208,15 - 342,65 = - 134,5 кДж / кг;

?h_4-1= h₁ - h₄ = 273,32 - 208,15 = 65,17 кДж / кг.

?S_1-2 = S₂ - S₁ = 0,003778 - 0,003778 = 0 ;

?S_2-3 = S₃ - S₂ = - 0,269396 - 0,003778= - 0,273174 ;

?S_3-4 = S_{4 -} S₃ = - 0,269396 - (-0,269396) = 0 ;

?S_4-1 = S₁ - S₄ = 0,003778 - (-0,269396) = 0,273174 .

q_1-2 = 0 кДж / кг

q_2-3 = h_{3 -} h₂ =342,32 - 451,06 = - 108,74 кДж / кг

q_3-4= 0 кДж / кг

q_4-1 = h_{1 -} h₄ = 273,32 - 208,15 = 65,17 кДж / кг.

Полученные данные заносим в таблицу 2 и проверяем на суммирование по столбцам:

Таблица №2

5. Определение величины работы l_к, l_д, l_ц.

Работа, затраченная в цикле ВХМ, равна разности работ компрессора l_к детандера l_д:

Величина l_к определяется из аналитического выражения 1-го закона термо-динамики для потока:

где для адиабатного процесса 1-2 q=0.

Можно также принять l_кэ=0, а техническая работа l_T для неохлаждаемого компрессора есть не что иное, как работа компрессора (l_T=l_к). Тогда получаем:

Аналогично можно записать выражение и для работы, получаемой в детандере:

Тогда:

6. Определение удельной холодопроизводительности и удельной тепловой нагрузки в теплообменнике - охладителе.

где q₀ - удельная холодопроизводительность,

где q - удельная тепловая нагрузка в теплообменнике - охладителе.

7. Проверка энергетического баланса ВХМ.

8. Определение массового расхода хладагента (воздуха).

9. Определение мощностей N_k, N_g, N_ц.

Мощность компрессора:

Мощность детандера:

Мощность, затраченная на получение холода:

10. Определение холодильного коэффициента ВХМ.

Холодильный коэффициент ВХМ представляет собой отношение удельной холодопроизводительности q₀ к затраченной работе l_ц:

(1)

11. Определение холодильного коэффициента обратного цикла Карно.

Для получения холода минимальная работа затрачивается в идеальном обратном цикле Карно 1-5-3-6 (рис.1). Из рисунка следует, что площадь цикла Карно 1-5-3-6 значительно меньше, чем площадь цикла ВХМ. Следовательно, согласно (1), холодильный коэффициент цикла ВХМ существенно меньше холодильного коэффициента цикла Карно, осуществляемого в том же интервале минимальной Т₁ и максимальной Т₃ температур, для которого:

.

12. Определение эксергетического КПД ВХМ.

Эксергетический КПД ВХМ отражает эффективность работы установки вследствие потерь эксергии. Последние же возникает по причине внешней необратимости - теплопереноса в теплообменниках при конечной разности температур. Эксергетический КПД представляет собой отношение эксергии полученного холода , т.е. полезного эффекта холодильной установки, к затраченной энергии :

или

с учётом (1) получим:

Здесь - мощность, затраченная в цикле, кВт:

- коэффициент работоспособности холода;

- средняя температура хладоагента в процессе 4-1;

- температура окружающей среды;

Литература:

Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. Учебное пособие для ВУЗов. - М., "Машиностроение", 1972. - 672с.

Термодинамические свойства газов. Справочник - 4-е издание перераб.М., Энергоатомиздат., 1987. - 288с.

Дубинский М.Г. Воздушные и газовые турбохолодильные машины. - М: Знание, 1968. - 256 с.

Кошкин Н.Н. Холодильные машины.М. Знание, 1973. - 356 с.

Б.В. Нащокин. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., испр. И доп. - М.: Высш. школа, 1980. - 469 с., ил.

Размещено на Allbest.ru