Исследование холодильного цикла.

Цель работы: изучить термодинамический цикл, устройство и принцип действия парокомпрессионной холодильной установки, ознакомиться с устройством экспериментальной установки и методикой проведения эксперимента, провести испытание холодильной установки и оценить ее эффективность, дать рекомендации, направленные на повышение экономичности.

Методические указания.

В качестве рабочего тела в парокомпрессионных холодильных установках используют обычно специальные органические жидкости (Фреоны), имеющие сравнительно низкую температуру кипения и конденсации и большой положительный дроссель-эффект. Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной установки представлена на рис.9. Установка включает: 1 - компрессор, 2 - конденсатор, 3 - дроссельный вентиль, 4 - испаритель. С помощью компрессора насыщенный или перегретый пар Фреона сжимается от давления р₁до давления р₂. При этом его температура повышается от t₁ до t₂. Поступая в конденсатор 2, пар фреона отдает тепло в окружающую среду и конденсируется, а образовавшаяся жидкость часто здесь жеохлаждается до температуры ниже, чем температура конденсации пара. Поступая далее в дроссельный вентиль 3, она дросселируется до давления р₁, при этом температура ее заметно понижается, а часть жидкости испаряется, образуя влажный пар. Захоложенная смесь поступает в испаритель 4, где происходит вскипание жидкости. Необходимое для этого тепло отбирается из охлаждаемого помещения. Из испарителя пар засасывается в компрессор 1 и цикл повторяется. Подчеркнем, что процессы в конденсаторе к испарителе идут при постоянных давлениях р₂ и р₁, соответственно.

Если в компрессоре сжимается влажный пар, то говорят, что онработает с влажным ходом. Если же сжимается перегретый пар, то говорят о сухом ходе компрессора. При сухом ходе компрессор работает более эффективно.

На рис. 10а приведено изображение цикла в Т - S координатах при мокром ходе компрессора. Здесь 1 -2 - сжатие влажного пара до состояния сухого насыщенного (или с небольшим перегревом), 2 - А – конденсация пара в конденсаторе до полного ожижения, А-В - дросселирование в дроссельном вентиле. В-1 - кипение в испарителе, всасывание пара в компрессор.

На рис. 10б изображен цикл с сухим ходом компрессора и переохлаждением жидкости. Здесь 1 - 2 - сжатие перегретого пара, 2 - 3 - охлаждение его до состояния насыщения, 3 - 4 - конденсация пара, 4-А - охлаждение жидкости. Процессы 2 – 3 – 4 - А - протекают в конденсаторе. А - В - дросселирование жидкости, В - 5 - испарение хладоагента в испарителе. 5 - 1 – перегрев пара по пути к компрессору.

Рис.10

 

Количество тепла, отводимое из охлаждаемого помещения каждым  килограммом рабочего тела, называют удельной хладопроизводительностью. Отводимое из помещения тепло подводится к рабочему телув процессе его кипения в испарителе при р₁ = const, поэтому обозначая подведенное за цикл тепло через q₁, находим

                                                                                      (4.1.)

Полная хладопроизводительность или полное подводимое к рабочему телу количество тепла определяется произведением удельной хладопроизводительности q₁ нa массовый расход М хладоагента

                                                                                             (4.2.)

Об эффективности холодильного цикла судят по величине холодильного коэффициента.

                                                                                              (4.3.)

где l_ц - удельная работа за цикл. Поскольку за цикл ΔU = 0, то I_Ц = q_ц = q₁ - q₂, где q_z - удельное количество отведенного за цикл тепла. Поскольку отвод тепла происходит при постоянном давлении р_z = const, то

                                                                                           (4.4.)

Из формул (4.1)...(4.4) следует, что хладопроизводительность и холодильный коэффициент одной и той же установки различны при различных температурных режимах ее работы, поскольку величины h₁, h₂, h_А и h_В существенно зависят от температур в соответствующих точках цикла. Это наглядно демонстрируют изображения описанных циклов в координатах h - s, приведенные на рис. 11, (а - с мокрым ходом компрессора, б -с сухим ходом компрессора).

Рис.11.

 

Поэтому для целей классификации и сравнения холодильных машин помимо реальных характеристик обычно приводят и характеристики,

рассчитанные при стандартных условиях работы установок, когда температура кипения. 15 ⁰С, температура конденсации 30 °С,.температура перед дроссельным вентилем 25°С.

При экспериментальных исследованиях непосредственное измерение массового (или объемного) расхода фреона в установке затруднительно. Однако легко измерить секундную работу компрессора L_к, измерив мощность N_эл, потребляемую его электроприводом

                                                                                         (4.5.)

гдеη_м и η_эл - механический и электрический КПД компрессора и электродвигателя. С достаточной точностью η_м = 0,95, η_эл = 0,98. С другой стороны

                                                                                         (4.6.)

Из формул (4.5) и (4.6) получаем

                                                                                 (4.7.)

Термодинамические свойства фреонов широко представлены в справочной и учебной литературе [5], [7], где приводятся соответствующие таблицы состояний.

Порядок проведения работы.

1. Перед проведением лабораторной работы ознакомиться с устройством и принципом действия экспериментальной установки, схема которой представлена на рис.12. Установка включает следующие прибора и агрегаты: 1 - испаритель, 2 - манометр, 3 - мановакуумметр, 4 - латунные трубки, 5 - электродвигатель, 6 - компрессор, 7 - ваттметр, 8 - вентилятор, 9 - конденсатор, 10 - ресивер, 11 —фильтр, 12 - стакан, 13 - термометр, 14 - вентиль дроссельный, 15 - штифт, 16 - регулирующий баллончик.

В экспериментальной установке используется серийный холодильный агрегат, который имеет следующие технические характеристики: мотор-компрессор марки ФГ-0,45, число цилиндров - 1, диаметр цилиндра-d = 36 мм, ход поршня S = 22 мм, частота вращения вала компрессора n = 1420 об/мин, номинальная хладопроизводительность при стандартных условиях.

Дляпроведения исследований агрегат дополнительно оборудован специальными устройствами и приборами, позволяющими проводить не-обходимые измерения. В первую очередь это специальные герметичные стаканы, внутри которых проходит фреон, а в наружную полость залито масло ХФ-12 и туда же устанавливается термометр.

Рис. 12

 

 

Холодильная установка действует следующим образом. Газ из компрессора 6 поступает в конденсатор 3. Из конденсатора жидкость поступает в сборный ресивер 10, где сепарируется от пузырьков пара и через фильтр 11, служащий для очистки фреона и поглощения воды, и стакан 12 с термометром 13 поступает к дроссельному вентилю 14. Сила давления отжимает подпруженный клапан, где и происходит дросселирование жидкости. Охладившаяся при дросселировании жидкость через стакан с термометром направляется в испаритель 1, откуда газ засасывается в компрессор. С помощью баллончика 16, заполненного фреоном к установленным в охлаждаемом помещении, автоматически регулируется расход М, а следовательно, и хладопроизводительность Q₁установки. При снижении температуры давление в баллончике 16 уменьшается, уменьшается и сила, с которой штифт 15 давит на дроссельный клапан. Поэтому клапан сместится вверх, уменьшив расход фреона. При увеличении температуры в охлаждаемом помещении увеличится и давление в баллончике 16. При этом штифт 15 будет сильнее давить на клапан и, дополнительно сжав пружину, увеличит его проходное сечение и расход жидкости. Для улучшения теплообмена конденсатор 9 обдувается потоком воздуха с помощью электровентилятора 8.

2. Включить экспериментальную установку и дождаться стационарного режима теплообмена. При этом показания манометров 2 и 3 и всех термометров остаются неизменными.

3. Произвести измерения давлений p₁ и р₂, температур t₁ и t₂ перед и после компрессора, а также температур t_A и t_В перед и после дроссельного вентиля. Для измерения мощности, потребляемой на привод компрессора, служит ваттметр трехфазного тока 7. Показания ваттметра записываются в делениях шкалы N_дел. Результаты измерений записываются в таблицу наблюдения табл. 4. Для исключения случайных погрешностей измерения произвести три раза с интервалом в 2...3 мин. После записи результатов измерений установку выключить.

Таблица 4.

№ п/п	Р1И, кг/см^2	Р2И, кг/см^2	t1, ^0С	t2, ^0С	tА, ^0С	tВ, ^0С	Nдел