МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ВИВЧЕННЯ РОБОТИ ПАРОКОМПРЕСІЙНОЇ

ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

для самостійної підготовки до лабораторної роботи №5

з курсу «Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів» для студентів

базового напрямку 6.051301 «Хімічна технологія», 6.051302 «Хімічна інженерія»

та з курсу «Енергозбереження в хімічних технологіях» для студентів базового

напрямку 6.050503 «Машинобудування»

Затверджено на

засіданні кафедри «Хімічна інженерія»

Протокол № … від ……...2013 р.

Львів – 2013

2

Вивчення роботи парокомпресійної холодильної установки: Методичні

вказівки для самостійної підготовки до лабораторної роботи №5 з курсу

«Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів» для студентів базового

напрямку 6.051301 «Хімічна технологія», 6.051302 «Хімічна інженерія» та з

курсу «Енергозбереження в хімічних технологіях» для студентів базового

напрямку 6.050503 «Машинобудування» /Укладачі — д.т.н., проф. Семенишин

Є.М., к.т.н., доц. Троцький В.І., к.т.н., доц. Кіндзера Д.П., к.т.н., ст. викл. Римар

Т.І./ – Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2013. – 14 с.

Укладачі Семенишин Є.М., д-р техн. наук, проф.,

Троцький В.І., канд. техн. наук, доц.,

Кіндзера Д.П., канд. техн. наук, доц.,

Римар Т.І. канд. техн. наук, ст. викл.

Відповідальний за випуск Атаманюк В.М., д-р техн. наук, проф.

Рецензент Мальований М.С., д-р техн. наук, проф.

3

Мета роботи полягає в ознайомленні з роботою холодильної установки, а

також в експериментальному визначенню холодопродуктивності та

холодильного коефіцієнта, який визначає ефективність холодильної машини.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Багато процесів сучасної промисловості здійснюються в умовах штучного

охолодження, тобто за значно нижчих температур, ніж ті, які можна досягти за

допомогою води або повітря.

Загально відоме значення холоду для збереження харчових продуктів в

побуті і харчовій промисловості, медицині, в хімічній промисловості для

зріджених газів, у виробництві синтетичного каучуку та інших продуктів, в

металургії для термічної обробки металів, в будівельній галузі під час

будівництва підземних споруд та інше.

В основу роботи холодильної машини закладено так званий зворотній цикл

Карно, який призначений для передачі тепла від тіл з нижчою температурою до

тіл з вищою температурою. Відомо, що передача тепла з вищого температурного

рівня до нижчого здійснюється самовільно без будь-яких умов. Однак зворотний

процес передачі тепла з нижчого температурного рівня до вищого вимагає

додаткових умов – витрат енергії (роботи) в циклі. Виробництво штучного

холоду значною мірою визначається необхідною температурою охолодження.

Тому умовно розглядають помірне охолодження до – 100 °С та глибоке

охолодження, яке застосовують наприклад для зріджених газів.

Для здійснення помірного охолодження широко використовують парові

компресійні холодильні машини, в яких робочим тілом (холодоагентом) є пари

речовин, які характеризуються низькою температурою кипіння. Як холодоагенти

використовують фреони (фтор хлорпохідні вуглеводнів) та гази, критичні

температури яких вищі за температури оточуючого середовища (фреон 12 –

CF2Cl2, CO2, NH3 та інші).

Теоретичний холодильний цикл Карно (рис. 1) складається з двох

ізоентропійних процесів (1 - 2 – стиснення пари, 3 - 4 – розширення

зконденсованої робочої речовини) і двох ізотермічних процесів (2 - 3 –

конденсації пари і 4 - 1 – випарювання (кипіння) робочої речовини). На T–S-

діаграмі теплота, віднята від охолоджуючого тіла робочою речовиною, тобто

холодопродуктивність Q0, визначається площею а – 1 – 4 – б; теплота яка

передається робочою речовиною охолоджуючому середовищу, визначається

площею а – 2 – 3 – б, а витрачена робота L еквівалентна теплоті QL – площею 1 –

2 – 3 – 4. Таким чином, енергетичний баланс циклу Карно буде рівний:

QQQ L 0 (1)

4

Рис. 1. T-S діаграма теоретичного оберненого (холодильного) циклу Карно

Зворотний круговий цикл, показаний на діаграмі (рис.1.), здійснюється за

умови, що ентропія системи залишається сталою. Відповідно зменшення ентропії

охолоджуваного тіла на величину в0 /TQ , що проходить під час випаровування

робочої речовини, повинно дорівнювати збільшенню ентропії охолоджуючого

середовища на величину к0 /TQQ L , яке проходить під час конденсації стисненої

пари робочої речовини. З цієї умови випливає, що робота, витрачена під час

здійснення теоретичного холодильного циклу Карно:

в

вк0

Т

ТTQQL

, (2)

або теоретична робота, необхідна для забезпечення заданої

холодопродуктивності, не залежить від природи робочої речовини і визначається

тільки за значеннями температур конденсації і випаровування.

Енергетичну економічність холодильних установок, які працюють за

зворотним циклом Карно, характеризують холодильним коефіцієнтом, тобто

відношенням холодопродуктивності до затраченої роботи:

вк

в0

ТT

Т

Q

Q

L , (3)

Принципова технологічна схема парокомпресійної холодильної установки

показана на рис. 2. Установка складається з: компресора I, конденсатора II,

регулюючого вентиля (дроселя) III і випарника IV, які з’єднані між собою

трубопроводами.

Випарник використовується для випарювання рідкого холодоагенту за

низької температури і відповідного тиску. Під час цього від охолоджуваного тіла

забирається теплота.

5

Рис. 2. Принципова технологічна холодильної установки: І – компресор;

ІІ – конденсатор; ІІІ – регулюючий вентиль (дросель); IV – випарник

Компресор призначений для стиснення пари холодоагенту, яка

відсмоктуються з випарника.

Конденсатор служить для перетворення стисненої компресором пари

холодильного агента в рідкий стан. Теплота, що виділяється під час конденсації,

переходить до оточуючого середовища. Чим вища температура охолоджуючого

середовища, тим вища температура конденсації, а відповідно і тиск.

Регулюючий вентиль (дросель) призначений для регулювання подачі

рідкого холодоагенту у випарник та пониження температури холодоагенту. Під

час протікання рідини через вузький переріз вентиля проходить дроселювання. В

результаті цього процесу тиск рідкого холодильного агента падає від тиску

конденсації до тиску випаровування з відповідним пониженням температури

(ефект Джоуля-Томсона).

Цикл ідеальної парокомпресійної установки з одноступеневим стисненням

(цикл з так званим «вологим ходом») показаний на рис. 3а і 3б на діаграмах T-S

та P-i. Такий цикл відповідає зворотному циклу Карно.

Компресор І засмоктує пари холодоагенту (фреону) і стискає до заданого

тиску, за якого вони можуть бути зріджені охолодженням водою і нагнітає їх в

конденсатор ІІ. На діаграмі T-S (рис. 3а) процес стиснення відбувається по

адіабаті 1 – 2 з підвищенням температури (точка 2). Для забезпечення постійної

температури зрідження, стиснення відбувається в області вологої пари, яка

обмежена кривою рівноваги пара – рідина. В кінці процесу стиснення (точка 2)

пара знаходиться в сухому насиченому стані. Конденсація пари здійснюється

ізотермічно (процес 2-3). Рідкий холодоагент поступає в циліндр детандера, де в

процесі адіабатичного розширення температура падає до температури кипіння

холодоагенту (точка 4). Процес кипіння здійснюється за температури кипіння ТВ

6

(ізотерма 4-1). Відтак, пари холодоагенту в точці 1 засмоктуються компресором і

цикл повторюється. Таким чином, реалізується зворотний цикл Карно.

На рис. 3б зображено цикл ідеальної холодильної машини у p – i діаграмі.

На цій діаграмі холодопродуктивність Q0 і робота стиснення L зображені

прямолінійними відрізками, що спрощує задачу визначення вказаних параметрів

за допомогою T – S діаграми, в якій ці параметри визначаються площею, а не

відрізками. Відрізки ліній 1 – 2 і 3 – 4 характеризують процеси, відповідно,

адіабатичного стиснення і розширення. Відрізки 2 – 3 і 4 – 1 є процесами

ізотермічної конденсації і ізотермічного випарювання (кипіння).

На рис. 3а замість детандера в ідеальному циклі використовують вентиль

(дросель) ІІІ, в якому процес охолодження здійснюється по ізоентальпі 3-5.

Процес 3 – 5 є не зворотнім процесом на відміну від зворотного 3 – 4, але який є

конструктивно більш складним з умови виконання машини для розширення

холодоагенту. Заміна детандера для забезпечення адіабатичного розширення

вентилем (дроселем) зменшує холодопродуктивність Q0 внаслідок незворотності

процесу (на діаграмі T – S (рис. 3а) це зменшення відповідає площі 4 – 5 – 6 – 7).

В реальній парокомпресійній холодильній машині (рис. 4а і б) цей недолік

компенсується за рахунок:

1) стиснення пари холодоагенту не в області вологої пари, що негативно впливає

на роботу компресора, а в області перегрітої пари;

2) після конденсації пари холодоагенту рідкий холодоагент переохолоджують до

більш нижчих температур конденсації.

В результаті реальна парокомпресійна машина, не дивлячись на більші

витрати енергії на перегрів, практично більш вигідна. Такі машини називають

холодильними машинами з «сухим ходом».

7

Таким чином, за «сухого ходу» пара засмоктується в сухому насиченому

або перегрітому стані (точка 1' на рис. 4а і 4б) і адіабатично стискається до

заданого тиску (точка 2'). На практиці пара засмоктується компресором в дещо

перегрітому стані, стиснення пари відбувається не по адіабаті, а по політропі, і

температура перегріву на лінії всмоктування не значно відрізняється від

температури сухої пари і для простоти розрахунків її можна прийняти як

температуру сухої насиченої пари (точка 1').

Варто зазначити, що процес переохолодження після конденсації (точка 3)

понижує температуру холодоагенту до Т' , тому процес дроселювання 3 – 4 буде

більш ефективним, оскільки холодопродуктивність збільшиться відповідно на

площу 4 – 4' – 6 – 7 на діаграмі T - S. Таким чином, цикл завершиться

випарюванням холодоагенту за температури Тв=const у випарнику IV (рис.1.) по

ізотермі 4 – 1'.

За допомогою T – S діаграми, а також ентальпійної p – i діаграми можна

визначити всі основні параметри, які характеризують дійсний холодильний цикл:

роботу стиснення у компресорі, теплове навантаження конденсатора і величину

холодильного коефіцієнта.

Так, наприклад бачимо з p – i діаграми (рис. 4.б) питома робота стиснення

в умовах адіабатичного стиснення 1 кг пари фреону або іншого холодоагенту по

лінії 1' – 2' складає:

1'2 iil (кДж/кг), (4)

де '2

i і 1i – ентальпія холодоагенту в точках 2' і 1'.

8

Кількість теплоти, яка відбирається від 1 кг холодоагенту в конденсаторі за

ізобарно-ізотермічного процесу 2' – 2 – 3' – 3 або питоме теплове навантаження

конденсатора складає:

3'2 iiq (кДж/кг). (5)

Знаючи питоме теплове навантаження конденсатора (q) визначають

поверхню теплообміну конденсатора, витрату води на охолодження Gв і

кількість холодоагенту R12G , що циркулює в циклі .

Питома холодопродуктивність циклу q0 рівна зміні ентальпії холодоагенту

за ізотермічного процесу випарювання процес 4 – 1':

410 iiq ' . (6)

Холодильний коефіцієнт дійсного холодильного циклу визначається за

рівнянням:

''

'

l ii

ii

q

q

12

410

. (7)

Холодопродуктивність, яка забезпечується холодильною машиною

визначається також температурним режимом, у якому вона працює. Кількість

теплоти, яку віддає фреон воді в конденсаторі за одиницю часу визначається з

рівняння:

)( почкінвв ТTCGQ , (8)

де Gв- масова витрата води (кг/с), Св- питома теплоємність води Дж/(кг К); кінT та

почТ – кінцева та початкова температура води (К) .

Масова витрата фреону, який циркулює в установці R12G :

3'2

R12ii

QG

(кг/с) (9)

Потужність, що витрачається компресором на стиснення холодоагенту:

)ii(GQN ''RL 1212 , Вт. (10)

Повна холодопродуктивність установки:

LQQQ 0 (11)

Теоретичний холодильний коефіцієнт:

''

'

TT

T

12

1

теор (12)

Повний холодильний коефіцієнт:

''

'

''

'

L ii

ii

ii

ii

Q

Q

12

31

12

410

повн . (13)

9

ОПИС УСТАНОВКИ

Холодильна установка АКФВ-4М (рис.5) складається з випарника 1;

одноступінчастого двоциліндрового компресора 2, який стискає пари фреону до

тиску конденсації Pк; конденсатора 3; двох терморегулюючих вентилів (дроселів)

4, які понижують температуру конденсату; протитечійного теплообмінника 5, в

якому рідкий фреон охолоджується до температури переохолодження T3

обмінюючись теплотою з парами фреону, що ідуть на всмоктування в компресор;

фільтру 6, який служить для вловлювання забруднень; водяного лічильника 7;

вентиля 8 для регулювання подачі води в конденсатор; манометрів на лінії

всмоктування 10 і нагнітання 9.

Рис. 5. Схема парокомпресійної холодильної установки АКФВ-4М: 1 –

випарник; 2 – компресор; 3 – конденсатор; 4 – дроселі; 5 – протитечійний

теплообмінник типу «труба в трубі»; 6 – фільтр; 7 – лічильник води; 8 –

вентиль; 10, 9 – манометри на лінії всмоктування і нагнітання відповідно; 11,

12,13,14,15,16 – термометри опору.

Робочою речовиною холодильної установки АКФВ-4М є фреон-12

(дифтордихлорметан) – один з найбільш поширених холодоагентів. За

нормальних умов фреон-12 – це важкий без кольору газ (температура кипіння -

29,8 ˚С, тиск конденсації 0,65 МПа за 25 ˚С) з дуже слабким специфічним

запахом, відчутним лише за вмісту його в повітрі більше 20 %. Сухий фреон не

кородує метал, за винятком магнієвих сплавів. Фреон-12 найменш шкідливий,

але в рідкому стані може викликати обмороження шкіри і пошкодження очей.

10

В трубки кожухотрубного теплообмінника-конденсатора 3 подають з

водопроводу воду через лічильник 7, по якому визначають витрату води.

Температуру в різних точках визначають електронним мостом за допомогою

багатоточкового перемикача. Датчики температури 11, 12, 13, 14,15 і 16 є

термометрами опору. Надлишковий тиск в зонах конденсації і випаровування

вимірюють манометрами КСМ2-019.

МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Після ввімкнення компресора холодильної установки спочатку вентилем 8

(див. рис. 5) встановлюють за лічильником 7 задану витрату води. Вмикають

компресор 2. Через 10 хвилин після пуску установки приступають до зняття

показів приладів. Манометрами фіксують тиск на лініях всмоктування Pв і

нагнітання Pк. Вимірюють початкову і кінцеву температуру охолоджуючої води

(точки Tпоч і Tкін), температуру фреону на вході в компресор T1, на виході з

компресора '2T , після дроселювання (точка Т5') і після випарника (точка Т1).

Заміри проводять кожні 5 хв. Отримані дані записують в звітну таблицю.

Рекомендовані умови проведення експерименту: витрата води в

конденсаторі від 0,3 до 0,5 л/с (від 20 до 30 л/хв).

Після досягнення заданого режиму роботи установки, про що буде свідчити

незмінність температури фреону у всіх точках вимірів у часі, виконують

контрольні заміри всіх величин і після зняття показів припиняють дослід.

Установку зупиняють в такому порядку: вимикають компресор, відключають

воду.

Звітна таблиця

По

каз

и л

ічи

льн

ика

по

чат

ко

ві,

м3

По

каз

и л

ічи

льн

ика

кін

цев

і, м

3

Ви

трат

а вод

и,

м3/с

Тиск фреону Температура води, К Температура фреону, К

На

вх

од

і в к

ом

прес

ор

РВ

На

ви

хо

ді

з ко

мп

рес

ора

РК

На

вх

од

і в к

он

ден

сато

р

Тп

оч

На

ви

хо

ді

з

ко

нд

енса

тор

а Т

кін

На

вх

од

і в к

ом

пр

есор

,

Т1

'

На

ви

хо

ді

з ко

мп

рес

ора,

Т2

Піс

ля д

росе

лю

ван

ня,

Т5'

Піс

ля в

ип

арн

ика,

Т1

11

ОБРОБКА ДОСЛІДНИХ ДАНИХ

Обробку дослідних даних починають з побудови циклу роботи холодильної

установки в T – S і Р-і координатах, далі знаходять значення параметрів процесу

в усіх вузлових точках. Вузлові точки циклу парокомпресійної холодильної

установки знаходять за отриманими результатами досліджень використовуючи T

– S і Р – і – діаграми для фреону. Для цього для наочності будують в T – S –

координатах схематичне зображення холодильного циклу, як це показано на рис.

6. Знаючи температуру фреону T1' і тиск PВ на лінії всмоктування знаходять

положення точки 1', температуру T2 і тиск в кінці процесу стиснення Pк на ізобарі

(Pк = Const), знаходять точку 2 і зображують політропний процес стиснення 1'-2.

Рис. 6. T – S діаграма роботи дійсної парокомпресійної холодильної машини

з перегрівом і переохолодженням (процес 1-1-2-3-4-4-5-1) і без перегріву з

переохолодженням (1-2-3-4-4-5-1)

Процес охолодження стисненої пари фреону відбувається за постійного

тиску Pк і зображується на діаграмі ділянкою 2-3. В точці 3 пара фреону досягає

насиченого стану. Процес конденсації фреону зображають лінією 3-4 при T3 = T4

=const. При наявності переохолодження після конденсації рідкий фреон

охолоджується до температури T4' і надходить на дроселювання, що на T – S –

діаграмі зображується лінією 4' -5' – ізоентальпійний процес (i =const), за якого

зменшується температура і тиск фреону (ефект Джоуля – Томсона). Знаючи тиск

РВ і температуру Т5' знаходять точку 5'. Лінією 5'-1-1' зображують процес кипіння

фреону за постійної температури у випарнику (лінія 5'-1) і перегріву у

теплообміннику 5 (лінія 1-1'). Процес перегріву пароподібного фреону під час

руху комунікаціями зображують по ізобарі (PВ = Const) ).

Таким чином, під час визначення температури в точках 1', 2, 5', 1, знаючи Pв і

Pк, за допомогою T – S – діаграми знаходять всі необхідні величини для основних

показників циклу.

12

Для проведення розрахунків отримані дані наносять на lg P - i діаграму, як

це показано на рис.7. Отримані у відповідних точках значення ентальпії

підставляють у формули (6) – (13) для визначення холодопродуктивності та

холодильного коефіцієнта.

Рис. 7. lgP-і діаграма роботи дійсної парокомпресійної холодильної машини

з перегрівом і переохолодженням (процес 1-2-3-4-5-6—7-1)

Контрольні питання

1. Чому для одержання штучного холоду необхідно витратити роботу?

2. В чому суть теоретичного холодильного циклу Карно?

3. Які процеси складають реальний холодильний цикл? Як відображаються ці

процеси на T – S і Р –і діаграмах?

4. З яких основних елементів складаються парокомпресійні холодильні

установки і яке призначення кожного з цих елементів?

5. Як користуючись T – S і Р –і діаграмами, визначити холодопродуктивність і

роботу, витрачену під час здійснення кругового процесу?

6. Що таке холодильний коефіцієнт за фізичним змістом?

7. Для чого перед всмоктуванням в компресор перегрівають пару холодоагенту?

8. Чим визначається значення необхідного тиску стиснення пари робочої

речовини в компресорі?

9. В чому відмінності дійсного процесу стиснення пари холодоагенту від

ізоентропного?

10. Для чого переохолоджують сконденсовану пару робочої речовини?

11. Для чого рідкий холодильний агент перед подачею у випарник піддають

дроселюванню?

12. Чим відрізняється повний холодильний коефіцієнт від корисного?

13. Що називається індикаторним холодильним коефіцієнтом?

13

ЛІТЕРАТУРА

1. Є.М.Семенишин, М.С.Мальований. Енерготехнологія хіміко-технологічих

процесів. – Львів. 2005. – 420с.

2. Цуранов О. А., Крысин А. Г. Холодильная техника и технология.–

СПб.:Лидер, 2004.– 448с.

3. Холодильная техника и технология: Учебник / Под ред. А.В. Руцкого. – М.:

ИНФРА-М, 2000. – 286 с

4. .Холодильні установки. Підручник. У 2-х книгах. /І.Г.Чумак,

В.П.Чепурненко, С.Ю.Лар'янівський та ін. К.: Либідь, 1995.

5. .А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. –

М: Изд.Химия, 1973 – 719 с

6. Лебедев П. Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки.

Учебник для студентов технических вузов. Изд. 2-е, перераб. М.,

«Энергия», 1972. – 321 с.

14

НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ

ВИВЧЕННЯ РОБОТИ ПАРОКОМПРЕСІЙНОЇ

ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

для самостійної підготовки до лабораторної роботи №5

з курсу «Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів» для студентів

базового напрямку 6.051301 «Хімічна технологія», 6.051302 «Хімічна

інженерія» та з курсу «Енергозбереження в хімічних технологіях» для студентів

базового напрямку 6.050503 «Машинобудування»

Укладачі Семенишин Є.М., д-р техн. наук, проф.,

Троцький В.І., канд. техн. наук, доц.,

Кіндзера Д.П., канд. техн. наук, доц.,

Римар Т.І. канд. техн. наук, ст. викл.

15