Автор работы: Пользователь скрыл имя, 30 Декабря 2014 в 13:15, курсовая работа
Парокомпрессионная холодильная машина в качестве охлаждающего процесса использует испарение жидкости. И хотя на уровне научной идеи возможность создания такой машины высказывалась еще в 1748 году профессором медицины Университета г. Глазго Уильямом Кулленом, а в 1806 году американский инженер Оливер Эванс даже опубликовал описание такой машины, годом ее изобретения принято считать 1834.
Введение
Парокомпрессионная холодильная машина в качестве охлаждающего процесса использует испарение жидкости. И хотя на уровне научной идеи возможность создания такой машины высказывалась еще в 1748 году профессором медицины Университета г. Глазго Уильямом Кулленом, а в 1806 году американский инженер Оливер Эванс даже опубликовал описание такой машины, годом ее изобретения принято считать 1834. Именно тогда английский инженер Якоб Перкинс получает британский патент на «аппарат для производства холода». Именно в этом патенте схема парокомпрессионной холодильной машины приобрела все необходимые для непрерывной работы элементы и представлена в завершенном, соответствующем современным представлениям, виде. Перкинс был специалистом по паровым двигателям и сам не оценил должным образом своего изобретения. Во всяком случае, он не предпринял попытки создать действующую холодильную машину по своему патенту. Машина по патенту Перкинса была построена лишь после его смерти А. Твиннигом в 1948 году. Наибольший успех в развитии парокомпрессионных машин был достигнут английским ученым и инженером Дж. Гариссоном, который эмигрировал в Австралию.
Там в 1873 году им были впервые созданы промышленные парокомпрессионные холодильные машины, которые обслуживали холодильник по замораживанию и хранению мяса и холодильную утановку судна «Нордфолк».
В настоящее время парокомпрессионные холодильные машины являются наиболее распространенными в быту и промышленности холодильными машинами. Более 90% всего искусственного холода вырабатывается машинами именно этого типа. Общим для них является то, что тепловой поток, отбираемый от охлаждаемого объекта (холодопроизводительность машины) воспринимается рабочим телом (холодильным агентом), кипящим в специальном аппарате – испарителе. Высокие энергетические и хорошие массогабаритные показатели парокомпрессионных холодильных машин в значительной мере обеспечиваются большими значениями теплоты парообразования применяемых холодильных агентов.
Для того чтобы процесс кипения холодильного агента в испарителе был непрерывным, необходимо чтобы агент совершал в холодильной машине замкнутую последовательность процессов – обратный термодинамический цикл, который применительно к холодильным машинам, называется холодильным циклом. При этом холодопроизводящий процесс – кипение холодильного агента, является одним из процессов холодильного цикла. Большое разнообразие условий работы парокомпрессионных холодильных машин (от домашнего холодильника до крупных холодильных станций химических предприятий), обусловило разнообразие применяемых в них холодильных циклов, а так же холодильных агентов.
машин.
По принципу работы холодильные машины можно разделить на два вида: термомеханические, принцип работы которых основан на использовании процессов повышения и понижения давления какого-либо рабочего тела, и электромагнитные, принцип работы которых основан на использовании постоянных или переменных электрического или магнитного полей.
Холодильные машины первого вида, наиболее распространенные, в зависимости от способа повышения давления рабочего тела делятся на три группы: компрессионные, сорбционные и струйные.
Из всех видов используемых холодильных машин наиболее распространённый вид – компрессионные холодильные машины. Принцип работы компрессионных машин основан на повышении давления посредством механического воздействия на рабочее тело.
В зависимости от интервала температур, в пределах которого осуществляется обратный термодинамический цикл и областей агрегатных состояний рабочего тела, компрессионные холодильные машины делятся на парожидкостные, газожидкостные и газовые. В парожидкостных и газожидкостных машинах агрегатное состояние рабочего тела в процессе работы изменяется (конденсация рабочего тела при повышенном и испарение рабочего тела при пониженном давлении). В первом случае сжатие ведется при температурах ниже критической (в области пара); во втором – при температурах, превышающих критическую.
В газовых холодильных машинах агрегатное состояние холодильного агента в процессе работы не изменяется, поскольку везде температура рабочего тела Т > Ткр.
Для удобства анализа и расчётов холодильных циклов с учётом реальности рабочих тел в технических расчётах наиболее часто пользуются диаграммами состояния T–s (температура–энтропия) и lg(p)–h (давление–энтальпия).
На рис. 1.1 представлена T–s диаграмма, где нанесены основные пограничные кривые, разделяющие область диаграммы на участки, где рабочее тело имеет разные возможные агрегатные состояния.
В холодильной технике часто понятие «фаза» употребляется в смысле агрегатного состояния, однако надо учитывать, что оно шире, чем понятие «агрегатное состояние». В пределах одного агрегатного состояния вещество может находиться в нескольких фазах, отличающихся по своим свойствам, составу и строению (лёд, например, может встречаться в 11-ти различных модификациях – фазах). Переход вещества из одной фазы в другую – фазовый переход – всегда связан с качественными изменениями свойств вещества (например переход обыкновенного жидкого гелия (гелий I) при Т = 2,9К в другую жидкую фазу (гелий II) связан с появлением свойств сверхтекучести, в качестве другого примера можно привести два фазового состояния твердого углерода – обыкновенного и алмаза).
Различают фазовые переходы двух родов. Фазовый переход первого рода сопровождается поглощением или выделением теплоты, называемой теплотой фазового перехода. Фазовые переходы первого рода характеризуются постоянством температуры, изменениями энтропии и объёма.
Фазовые переходы, не связанные с поглощением или выделением теплоты и изменением объёма, называются фазовыми переходами второго рода. Эти переходы характеризуются постоянством объёма и энтропии, но скачкообразным изменением теплоёмкости.
Таким образом, можно утверждать, что если рабочее тело меняет своё агрегатное состояние, то оно однозначно совершает фазовый переход. С другой стороны при совершении обратного термодинамического цикла рабочим телом, фазовые переходы второго рода не
рассматривают и не участвуют. В связи с этим в холодильной технике при анализе и расчёте циклов не делают различий между понятиями агрегатное состояние рабочего тела и её фаза.
Рис. 1.1. Возможные агрегатные состояния вещества на T–s диаграмме.
Рассмотрим T–s диаграмму, на которой показаны возможные агрегатные состояния индивидуального вещества. Между правой и левой пограничными кривыми выше температуры тройной точки Т > Ттт (область Ж+П) вещество может существовать только в двухфазном состоянии (в виде парожидкостной смеси, называемой так же влажным паром), причем на правой или левой пограничной кривой вещество переходит в однофазное состояние – сухой насыщенный пар или насыщенную жидкость.
Между пограничными кривыми ниже температуры тройной точки Т < Ттт (область Т+П) вещество может существовать только в виде двухфазной смеси пара и твёрдого тела. При этом на пограничных кривых вещество находится в однофазном состоянии: на правой кривой – пар, на левой – твёрдое тело. Между критической температурой Ткр и правой пограничной кривой (область ПерП) вещество находится в состоянии перегретого пара, при температуре выше критической Т > Ткр и давлении ниже критического р < ркр (область Газ) – в состоянии газа; в этой области оно не может быть превращено в жидкость при любом процессе, который не приводит к снижению температуры ниже Ткр. При Т > Ткр и р > ркр (область Пар) вещество условно считается в парообразном состоянии.
При температуре ниже критической Т < Ткр область левее левой пограничной кривой делится на три зоны: над пограничной кривой жидкости (область Ж) – зона жидкости; над изотермой тройной точки Ттт (область T+Ж) – зона двухфазного состояния жидкость+твёрдая фаза; левее пограничной кривой твёрдого тела (область Т) – зона твёрдого тела.
На диаграмме изображён изобарный процесс 1-2-3-4-5-6, где:
что состояние вещества перейдёт через условную границу Т = Ткр и окажется в области газа.
На T–s диаграмме (в правой части) также показаны температурные интервалы всех трех типов компрессионных холодильных машин – парожидкостных (ПЖ), газожидкостных (ГЖ) и газовых (Г).
Парожидкостные компрессионные холодильные машины относятся к холодильным машинам умеренного холода и их принято называть парокомпрессионными холодильными машинами.
Газожидкостные компрессионные холодильные машины относятся к криогенным холодильным машинам, и они большей частью используются в установках ожижения и газоразделения газов, в частности, ожижения воздуха с последующим разделением его на основные составляющие – азот и кислород.
Принципиальная схема и цикл парокомпрессионной холодильной машины представлена на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Принципиальная схема и цикл парокомпрессионной холодильной машины.
Рабочее тело (холодильный агент) совершает в машинах и аппаратах холодильной машины замкнутую совокупность процессов – обратный термодинамический цикл, с целью передачи тепловой энергии от охлаждаемого тела к окружающей среде. При этом на совершение цикла затрачивается работа, которая обеспечивается подводом механической энергии к компрессору КМ. Цикл состоит из следующих процессов:
1-2 – сжатие пара (в данном случае изоэнтропное) в компрессорной машине КМ;
2-2” – охлаждение перегретого пара до состояния насыщения в конденсаторе КД;
2”-3’ – конденсация пара до состояния насыщенной жидкости в конденсаторе КД;
3’- 3 – переохлаждение жидкости в конденсаторе или специальном аппарате – переохладителе;
3-4 – дросселирование жидкости в дросселирующем устройстве РВ (регулирующем вентиле);
4-1” – кипение жидкости с образование насыщенного пара в испарителе И – «холодопроизводящий процесс»;
1”-1 – перегрев пара в испарителе И или специальном аппарате – в зависимости от схемы холодильной машины, например, в рекуперативном теплообменнике.
Холодильный цикл характеризуется показателями:
Qo – холодопроизводительность холодильной машины, то есть количество тепла отводимое от потребителя холода в единицу времени.
m – массовый расход холодильного агента циркулирующего в схеме. В сложной схеме в различных элементах её элементах может циркулировать различное количество холодильного агента.
qo = Qo / m – удельная массовая холодопроизводительность. На диаграмме lg(p)–h она изображается отрезком qo =h1-h4. При этом надо иметь в виду, что если перегрев пара происходит в испарителе, то теплота перегрева включается в холодопроизводительность (см. рис.1.2.). Таким образом, под удельной массовой холодопроизводительностью понимается количество тепла подводимое к 1 кг хладагента в испарителе.
Величина qo зависит от вида холодильного цикла парокомпрессионной холодильной машины и в большой мере от термодинамических свойств рабочего тела.
qv = Qo / v1 – удельная объёмная холодопроизводительность. Здесь v1 – удельный объём пара на всасывании в компрессор. При заданной холодопроизводительности Qo величина qv в значительной мере определяет габариты компрессора и холодильной машины в целом.
L – работа затрачиваемая на сжатие хладагента в компрессоре (для одноступенчатой схемы холодильной машины – работа цикла).
l = L / m – удельная работа цикла (компрессора). На диаграмме lg(p)–h она изображается отрезком l =h2 - h1.
Qк – теплота, отдаваемая в конденсаторе окружающей среде (тепловая нагрузка конденсатора).
qк = Qк / m – удельная тепловая нагрузка конденсатора.
e = Qo /L = qo / l – холодильный коэффициент, служит для оценки энергетической эффективности цикла и показывает, какую холодопроизводительность можно достичь на единицу затраченной работы.
Зависимости основных технических показателей холодильного цикла парокомпрессионной холодильной машины от режима её работы, а именно, от температурных границ цикла, могут быть получены расчётным путем.
Задача – рассчитать значения величин холодопроизводительности Qо, холодильного коэффициента e и адиабатной работы Lад парокомпрессионной машины, работающей по одноступенчатому циклу (см. рис. 1.1) для нескольких режимов работы. Цель построение характеристик Qо, e, Lад = f(Tо) при Тк=const и l = f(П).