Расчёт идеального цикла воздушной холодильной машины

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

Институт – ЭНИН

 

Направление (специальность) – Физика и техника  низких температур

 

Кафедра –  Теоретической и промышленной теплотехники

 

 

 

 

 

Дициплина : Холодильные машины и  установки 

 

Курсовая работа

 

Тема: РАСЧЁТ ИДЕАЛЬНОГО ЦИКЛА ВОЗДУШНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

 

 

 

 

 

 

 Исполнитель

Студент, группы 5ФМ10                                                              Максутов Н.Н. Проверил  доцент кафедры ТПТ                                                                           Крайнов А.В.

    

 

 

 

 

Томск –2013

 

 

Содержание 

Введение

1.  Теоретический часть воздушной холодильной машины

2.   Расчет идеального цикла ВХМ

2.1.  Определение параметров воздуха  в характерных точках цикла  ВХМ.

2.2. Построение цикла  ВХМ в pV - и TS – диаграммах

2.3. Расчет термодинамических характеристик  установки 

Заключение 

Список  литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Холодильная машина состоит из комплекса технических  элементов, при посредстве которых  за счёт 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 определённом объёме - холодильной камере.

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.

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.

 

Воздушные холодильные машины

Воздушные холодильные  машины (ВХМ) относятся к компрессорным потому, что в них применен компрессор для сжатия хладагента – воздуха. Такие машины применялись еще до появления парокомпрессионных холодильных машин,  в которых хладагентами служат легкокипящие вещества – аммиак и углекислота и тем более фреоны.

На рис. 1 показаны принципиальная схема простейшей ВХМ, а на рис. 2 – ее теоретический  цикл (цифрами 1, 2, 3 и 4 на диаграммах и  на схеме установки обозначены состояния  воздуха в соответствующих местах контура машины).

 

Рис. 1. Принципиальная схема простейшей воздушной холодильной машины: П  –помещение; К – компрессор; Т – турбина (детандер); ПО – промежуточный охладитель; М – двигатель; ЗВ – забортная вода.

 

Воздух из помещения П, где поддерживается температура T₁, засасывается компрессором  К и сжимается от давления p₀ до давления p (процесс 1-2). При этом его температура возрастает до T₂, благодаря чему воздух затем может быть охлажден в промежуточном охладителе ПО забортной водой ЗВ (процесс 2-3). Сжатый охлажденный воздух с температурой T₃ поступает в расширитель (детандер) – турбину Т, где он, расширяясь до давления p₀(процесс 3-4), охлаждается и выходит в помещение с температурой T₄ < T₁. Подогреваясь в помещении при постоянном давлении р₀ от T₄ до T₁(процесс 4-1), воздух производит его охлаждение.

Рис. 2. Теоретический цикл в v-p диаграмме (а) и s-T диаграмме (б)

простейшей  воздушной холодильной машины: процесс 1-2 – сжатие воздуха в компрессоре; процесс 2-3 – охлаждение сжатого  воздуха в промежуточном охладителе; процесс 3-4 – расширение сжатого  охлажденного воздуха в турбине; процесс 4-1 – подогрева воздуха  в помещении.

Как видно  из рис. 2, в теоретическом цикле  осуществляются адиабатические процессы сжатия и расширения воздуха и  изобарические процессы его охлаждения (окружающей средой – забортной водой) и нагревания.

Удельная  холодопроизводительность воздуха q₀ = i₁ – i₄ , кДж/кг, где i₁ и i₄ – энтальпия в состояниях, характеризуемых точками 1 и 4 на диаграмме. Она пропорциональна площади c-4-1-d (рис. 2, б).

Затраченная на совершение цикла удельная работа пропорциональна площади 1-2-3-4 и находится по формуле:

l = l_к.а – l_р.а ,

где l_к.а – работа компрессора (отрицательная), кДж/кг, l_к.а = i₂ – i₁ = площадь 1-2-b-a (рис. 2, а); l_р.а – работа детандера (положительная), кДж/кг, l_р.а = i₃ –i₄ = площадь 3-4-a-b.

Теоретический холодильный коэффициент обратимого цикла воздушной холодильной  машины:

При p/p₀ , равном 3, 4, 6 ε_т равно 4,56; 2,05; 1,50.

На s-T диаграмме (см. рис. 2, б) показан и обратный цикл Карно 1-2′-3-4′ для интервала температур T₁-T₃ в охлаждаемом помещении (T₁ = T₀ = const) и окружающей среды – охлаждающей воды (T₃ = T= const). Как видно, для этого цикла холодопроизводительность больше, а затраченная работа меньше, чем в цикле воздушной холодильной машины.

Холодильный коэффициент цикла Карно для p/p₀ = 4; t₁ = -5 °C; t₂ = 120 °C;t₃ = 20 °C; t₄ = -75 °C равен ε_к = 10,7, а степень термодинамического совершенства цикла ВХМ:

т. е. очень  низка.

На рис. 3 показан действительный цикл ВХМ. Он отличается от теоретического наличием потери давления в ПО (от p_д до p) и внутренних потерь в компрессоре и детандере – турбине, которые оцениваются адиабатическими (внутренними) КПД компрессора η_к.а = 0,7…0,9 и турбины η_р.а = 0,7…0,85.

Рис. 3. Действительный цикл воздушной холодильной машины в s-Tдиаграмме.

Действительная удельная холодопроизводительность, кДж/кг:

q_0д = q₀ – l_р.а·(1 – η_р.а).

Она меньше теоретической q₀ на величину потерь в турбине (заштрихованная площадь а-4-4d-b).

Действительная  удельная работа, кДж/кг, больше теоретической на величину потерь в компрессоре и в турбине:

Тогда действительный холодильный коэффициент:

Он намного  меньше теоретического холодильного коэффициента; обычно ε_д< 1.

По экономичности  в режиме кондиционирования и умеренного охлаждения ВХМ значительно уступают наиболее экономичным парокомпрессорным холодильным машинам. Потребляемая ими мощность в режиме кондиционирования в 2…3 раза больше, чем для ПКХМ.

Однако при  температурах охлаждения -70 °C и ниже действительный холодильный коэффициент ВХМ составляет ε_д = 0,46…0,58 и превышает ε_ддля ПКХМ. Экономичность низкотемпературных ВХМ, которые на судах могут быть применены для замораживания рыбы, повышается путем введения регенерации.

Такие ВХМ внедрены в промышленное производство и эксплуатацию в стационарной практике.

Несомненным достоинством ВХМ является отсутствие в них специального хладагента, роль которого в данном случае выполняет бесплатный безвредный воздух, и, хотя особо широкого практического применения ВХМ пока не нашли, они используются, например, для кондиционирования воздуха в самолетах, автомобилях, иногда на судах, при обработке металлоизделий холодом (t0 < -70 °C), в термобарокамерах по испытанию авиационных двигателей, а также в установках глубокого охлаждения для разделения газов, сжижения воздуха и получения кислорода.

Для привода  ВХМ может быть использовано сбросное тепло энергетических установок (в  том числе и на судах).

 

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,

 

;

; =>;

P₂=P_{1· к}, P₂ =0,1·10⁶ Па·5,7=0,57·10⁶ Па=0,57 МПа;

P₂= P_3, P₁=P_4.

.

 

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;

  , =0,7835 м³/ кг.

  - уравнение адиабаты;

 

P₂ V₂ =T₂ R;

, =449 К.

P₃ V₃ =T₃ R;

, = 0,1722 м³/кг.

,

P₄ V₄ =T₄ R;

, = 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 R ln (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-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 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.

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 объёма:

V₅= 0,5 · (V₁ + V₂) = 0,5 · (0,7835+0,226) = 0,5048 м³/кг ;