А) без отдачи внешней работы – дросселирование.

Габитов Ф.Р., Маряшев А. В., Хлебников В. А.

Г 55 Тепловой расчет холодильной установки / Габитов Ф.Р., Маряшев А.В., Хлебников В.А. – Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2010. - 111 с.

В учебном пособии рассмотрены термодинамические основы холодильных машин, действительный рабочий процесс в поршневом компрессоре, конструкции и методика теплового расчета испарителей и конденсаторов, рекомендации по подбору элементов.

Для курсового проектирования по дисциплине «Тепломассообменное оборудование предприятий» студентами специальности «Промышленная теплоэнергетика» и бакалаврами направления «Теплоэнергетика и теплотехника».

УДК 621.1.016.7

ББК 31.31

© Марийский государственный

технический университет, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие предназначено для знакомства бакалавров направления «Теплоэнергетика и теплотехника», студентов специальности 140104 – «Промышленная теплоэнергетика» с основами работы холодильной техники и выполнения курсового проекта по дисциплине «Тепломассообменное оборудование предприятий».

В учебном пособии приведены основные теоретические сведения о видах, принципах работы, технических характеристиках и конструкции основного холодильного оборудования и вспомогательного оборудования холодильной техники.

Также в учебном пособии приведены подробные методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Тепломассообменное оборудование предприятий» с указанием расчетных формул, графиков, схем и технической литературы.

ВВЕДЕНИЕ

Холодильная техника, прежде чем достичь современного уровня, прошла длительный путь развития.

Еще первобытные люди сохраняли мясо животных в горных пещерах, заполненных снегом, а позднее люди устраивали для этого специальные погреба со льдом. В дальнейшем стало известно, что если прибавить ко льду соль, то можно получить более низкую температуру. До XIX в. люди пользовались только естественным ледяным или льдосоляным охлаждением. В XIX в. благодаря развитию машинной техники появилась возможность получать холод посредством специальных холодильных машин. Искусственное охлаждение начали применять при заготовке и транспортировании скоропортящихся продуктов. Первая установка для замораживания мяса была построена в Сиднее в 1861 г. В 1876 г. впервые было перевезено мясо на судне-рефрижераторе с искусственным машинным охлаждением. Изотермические вагоны с ледяным охлаждением стали применяться в США в 1858 г. Первые холодильники были сооружены в Бостоне и Лондоне в 1881 г.

В России в 1888 г. впервые стал применяться искусственный холод на рыбных промыслах в Астрахани. В том же году на Волге появилась рефрижераторная баржа с воздушной холодильной машиной, положившая начало развитию в России рефрижераторного водного транспорта. В 1889 г. были построены стационарные холодильные установки на пивоваренных заводах и шоколадных фабриках. В 1895 г. в г. Белгороде построили первый заготовительный яично-птичный холодильник емкостью 250 т.

Перевозка грузов в вагонах-ледниках в России началась в 1860 г.

В дореволюционный период холодильное хозяйство в России развивалось крайне медленно. До 1914 г. было построено 29 холодильников общей емкостью 45600 т. В годы первой мировой войны в связи с необходимостью снабжения русской армии продовольствием темп строительства холодильников несколько возрос, и с 1914 по 1917 г. холодильная емкость возросла до 57300 т, а количество холодильников до 58.

Холодильный транспорт к 1917 г. имел 6500 двухосных вагонов-ледников, одно рефрижераторное судно грузоподъемностью 185 т и восемь судов с холодильными установками служебного назначения.

За годы гражданской войны почти одна треть предприятий выбыла из строя, остальные находились в полуразрушенном состоянии. В 1925 г. были завершены восстановление и реконструкция старых предприятий и началось строительство новых холодильников в портовых городах: Ленинграде, Одессе, Севастополе, Новороссийске, а также в промышленных центрах: Баку, Ростове-на-Дону, Свердловске, Ташкенте и других городах.

В годы первой пятилетки началось оснащение холодом пищевой промышленности; к началу 1941 г. холодильная емкость возросла до 370,5 тыс. т, т.е. в 6,5 раз по сравнению с дореволюционным периодом. За годы Великой Отечественной войны холодильное хозяйство нашей страны сильно пострадало от немецко-фашистских оккупантов, которые разрушили 95 тыс. т холодильной емкости. В послевоенный период происходило восстановление холодильников, закончившееся в основном в 1947 г. Наиболее интенсивное строительство холодильников началось в 1949 г. Только за 1949 и 1950 гг. было введено в эксплуатацию более 250 тыс. т емкости.

Чтобы не нарушать непрерывности холодильной цепи, необходимо применять холод от момента изготовления продукта до его реализации. Поэтому в послевоенные годы началось оснащение предприятий торговли холодильными установками. В 1950 г. Годовой выпуск шкафов, прилавков, сборных камер и витрин составлял 3 тыс. шт., в 1960 г. – 53 тыс. шт., а в 1965 г. – 185,5 тыс. шт.

Начиная с 1950 г. промышленность выпускает домашние холодильные шкафы, из года в год увеличивая их количество. В 1965 г. выпуск домашних холодильников составил 1,5 млн. шт.

За годы советской власти развился и холодильный транспорт. Уже в 1956 г. парк изотермических вагонов увеличился по сравнению в 1917 г. в 10 раз. С 1954 г. выпускаются не только вагоны-ледники, но и вагоны с машинным охлаждением. Создан морской и речной рефрижераторный флот. Рыбная промышленность получила большое количество крупных промысловых судов, оснащенных современными холодильными установками.

Искусственный холод получил самое широкое применение во всех отраслях народного хозяйства: пищевой промышленности, торговле и общественном питании, химической промышленности, проходке шахт и тоннелей в водоносных грунтах, кондиционировании воздуха, закалке стальных изделий, медицине, шелководстве, цветоводстве, фармацевтической промышленности и др.

Производством бытовых холодильников и морозильников в России занимаются 15 компаний. Шесть крупнейших производителей холодильников: АО «Красноярский завод холодильников «Бирюса»; АО «Производство холодильников «Полюс»; «СЭПО-ТЕМП» (Саратов); АОЗТ «Завод холодильников «STINOL»; АО «Орский механический завод»; ПО «Завод им. Серго» (Зеленодольск).

Компрессоры холодильников и морозильников производятся на Астраханском заводе холодильного оборудования, Тульском оружейном заводе, Омском заводе «Компрессор», АО «Красноярский завод холодильников «Бирюса», АО «Айсберг», АМО «ЗИЛ», а также закупаются по импорту.

В настоящее время бытовые холодильники и морозильники как зарубежных фирм, так и отечественных заводов все больше оснащаются элементами комфортности.

Компьютеризация управления и независимое регулирование температур в камерах характерны для престижных и дорогих моделей.

В России находится в эксплуатации свыше 100 млн. бытовых холодильников и морозильников, масштабы их производства непрерывно растут, возрастает также импорт бытовой холодильной техники из зарубежных стран на отечественный рынок.

ОХЛАЖДЕНИЕ

1.1. ЕСТЕСТВЕННОЕ И ИСКУССТВЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Природа тепла и холода одинакова. Тепловая энергия – одна из форм энергии, проявляющаяся в движении молекул вещества того или иного агрегатного состояния (это внутренняя энергия, характеризующая хаотическое движение частиц). Различие между теплыми и холодными телами лишь – лишь в скорости движения молекул. При отводе тепла от тела движение молекул замедляется и оно охлаждается.

Процесс отнятия тепла, сопровождающийся понижением температуры (абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул) и называемый охлаждением, протекает с одновременным участием по меньшей мере двух тел: охлаждаемого и охлаждающего. Последнее называется холодильным агентом или рабочим телом. Количество тепла, которое может поглотить холодильный агент, определяет его холодильный эффект или холодопроизводительность. Самый простой способ охлаждения – естественное охлаждение (засчет теплообмена этого тела с окружающей средой). Однако естественным путем нельзя достичь температуры ниже температуры окружающей среды. Более низкие температуры достигаются искусственным охлаждением. Таким образом, охлаждение до температуры окружающей среды называется естественным, а ниже ее – искусственным.

Из 2-го закона термодинамики известно, что для осуществления непрерывного искусственного охлаждения необходима затрата работы. Такой процесс переноса тепла от охлаждаемого тела к окружающей среде осуществляется с помощью обратного кругового термодинамического цикла или холодильного цикла. Комплекс элементов, позволяющий осуществить этот цикл, называется холодильной машиной (ХМ).

Название ХМ условно, так как по существу оно относится к связанным воедино элментам (компрессор, теплообменные аппараты, расширитель – детандер или дроссельный вентиль и т.д.), необходимым для совершения холодильного цикла.

Искусственное охлаждение возможно 2-мя путями:

А) основан на аккумуляции естественного холода и относится к области льдосоляного охлаждения (рассматривать не будем);

Б) основан на машинном охлаждении (2-й закон термодинамики).

Диапазон температур, достигаемый ХМ, широк (до ~ 0 К).

Условно принимают:

1) область умеренного холода (до – 120 ⁰С);

2) область глубокого холода (ниже – 120 ⁰С).

Глубокий холод используется, главным образом, для сжижения воздуха и других газов и представляет самостоятельную область хладотехники.

Таким образом, современная техника низких температур условно разделяется на 2 части:

1) криогенная техника, где основными рабочими веществами являются N2, Ar, H2, He, O2, криптон, ксенон, неон. Здесь используются температуры ниже – 153 ⁰С. При криогенных температурах производится разделение газовых смесей в интервале температур от – 195 ⁰С до – 175 ⁰С. Область более низких температур связана с охлаждением объектов и систем, сжижением гелия и водорода, а также других рабочих веществ.

2) холодильная техника, где при умеренном холоде проводится охлаждение технологических продуктов в пределах от 7 ⁰С до – 120 ⁰С, а в установках кондиционирования воздуха, верхний предел достигает 20 ⁰С.

1.2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

1) Использование расширения газа:

А) без отдачи внешней работы;

Б) с отдачей внешней работы

2) Использование фазового превращения (кипение, плавление, парообразование, растворение соли, сублимация)

3) Использование десорбции газов

4) Вихревой метод

5) Термоэлектрический метод (при помощи эффекта Пельтье)

6) Магнитный метод (для T < 1 K)

1.2.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСШИРЕНИЯ СЖАТОГО ГАЗА

А) без отдачи внешней работы – дросселирование.

Процесс расширения газа путем дросселирования является одним из основных процессов получения низких температур. На практике осуществляется прохождением газа через суженное сечение (неполностью открытый вентиль, пористую перегородку, дроссельный клапан или шайбу и т.д.). Такой процесс близок к адиабатическому (т.е. обмен теплом между движущимся газом и окружающей средой мал). В результате падения давления происходит увеличение скорости – энергия превращается в энергию движения. Однако за сечением в результате торможения (силы внутреннего трения – вязкая жидкость) и вихреобразования часть кинетической энергии преобразуется в тепловую, скорость будет уменьшаться, но без восстановления первоначального давления, т.е. p₂ < p₁ . Процесс дросселирования является типичным необратимым процессом, т.к. теряется работоспособность газа без совершения внешней работы.

Рис. 1. Процесс дросселирования

Для адиабатического процесса:

Если принять (в действительности несколько больше , т.к. при – увеличивается удельный объем газа), то при адиабатическом дросселировании:

(1)

Т.е. при адиабатическом дросселировании энтальпия не меняется (однако необходимо иметь ввиду, что это уравнение отражает конец процесса, удаленного от суженного сечения).

В процессе дросселирования идеального газа температура газа также не меняется, т.к. для идеального газа .

У реальных газов при дросселировании температура изменяется. Отношение изменения температуры к изменению давления при дросселировании называется дифференциальным температурным эффектом дросселирования (дифференциальный эффект Джоуля-Томсона) и обозначается через α:

(2)

или

(2а)

Уравнение 1-го закона термодинамики при независимых переменных p и T:

1)

2)

	(3)
	(3а)

Для идеального газа:

В случае реальных газов:

1)

2)

3)

(4)

Состояние вещества, при котором температурный эффект дросселирования меняет свой знак, называется точкой инверсии. Существует не одна, а множество точек инверсии, определяемых уравнением (4). Геометрическое место точек инверсии представляет собой инверсионную кривую.

Рис. 2. Инверсионная кривая для азота

В области, лежащей под инверсионной кривой , т.е. дросселирование сопровождается охлаждением, а над кривой , т.е. дросселирование вызывает нагревание тела.

Из рисунка видно, что каждому давлению отвечают 2 точки инверсии, или 2 температуры, в которых . Первая точка, соответствующая меньшей температуре, называется нижней инверсионной точкой, а вторая – верхней инверсионной точкой (т.к. внутри 2-х-фазной области , то инверсионная кривая должна огибать пограничную кривую; нижняя температура соответствует большим плотностям, т.е. находится как бы в области жидкого состояния).

Кривая инверсии имеет максимум. При дросселирование газа всегда сопровождается его нагреванием (для азота ).

При очень высоких температурах ( ) дросселирование приводит также в нагреву газа. Одним из основных условий при дросселировании газа в целях охлаждения является выбор начальной температуры .

Для газа, подчиняющегося уравнению Ван-дер-Ваальса

оказывается: , , а при .

При дросселировании происходит не бесконечно малое изменение, а конечное изменение давления от . Интегральный эффект Джоуля-Томсона:

(5)

По уравнению (5) можно определить конечную температуру газа.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: