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