Холодильная машина и комплекс составляющих ее технических элементов. Перенос тепла к источнику, температура которого значительно выше окружающей среды, при помощи холодильной машины. Классификация холодильных машин по виду затрачиваемой энергии.
Аннотация к работе
Холодильная машина состоит из комплекса технических элементов, при посредстве которых за счет потребляемой при этом энергии происходит перенос тепла от источника низкой температуры - теплоотдатчика - к источнику с более высокой температурой - теплоприемнику. 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 определенном объеме - холодильной камере. При помощи холодильной машины тепло можно перенести к источнику, температура которого значительно выше окружающей среды. 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. 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 R ln (P1/P0) учитывает влияние давления на энтропию.
Введение
Холодильная машина состоит из комплекса технических элементов, при посредстве которых за счет потребляемой при этом энергии происходит перенос тепла от источника низкой температуры - теплоотдатчика - к источнику с более высокой температурой - теплоприемнику. 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 определенном объеме - 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 расчета, конструирования и эксплуатации холодильных машин необходимо знание сопротивления материалов, теории машин и механизмов, деталей машин, электротехники.
Над созданием первых холодильных машин работали многие ученные, изобретатели и инженеры. В развитие теории холодильных машин внесли большой вклад советские ученые - 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. Расчет идеального цикла воздушной холодильной машины
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. Расчет энтропии S для характерных состояний цикла рекомендуется провести по методу "конечной энтропии". Отсчет 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 R ln (P1/P0) учитывает влияние давления на энтропию. Величина берется 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-R ln (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 берется 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 расчетов параметров сводим в таблицу 1.
Таблица №1.
Точка цикла Р, МПА V, м3/кг Т, К U, КДЖ/кг h, КДЖ/кг S, КДЖ/кг*К
1 0,1 0,7835 273 194,9 273,32 0,003778
2 0,57 0,226 449 322,11 451,06 0,003778
3 0,57 0,1722 342 244,42 342,65 - 0,269396
4 0,1 0,5969 208 148,39 208,15 - 0,269396
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 объема: V5= 0,5 · (V1 V2) = 0,5 · (0,7835 0,226) = 0,5048 ;
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:
, .
Нанесем 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 берем из справочных данных их таблицы /2/ по значению Т7.
S7 = S - S - R ln , 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.
Работа, затраченная в цикле ВХМ, равна разности работ компрессора lk детандера lд: Величина lk определяется из аналитического выражения 1-го закона термодинамики для потока: где для адиабатного процесса 1-2 q=0.
Можно также принять lкэ=0, а техническая работа LT для неохлаждаемого компрессора есть не что иное, как работа компрессора (LT=lk). 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 Nk, Ng, Nц.
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 lц: (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 учетом (1) получим: Здесь - мощность, затраченная в цикле, КВТ: - коэффициент работоспособности холода;
- средняя температура хладоагента в процессе 4-1;
- температура окружающей среды;
Список литературы
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.