Теоретическая часть

МИНИСТЕРСВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СОЛОВЬЕВ А.А.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к контрольной работе по курсу

«Системы производства и распределения энергоносителей промышленных предприятий»

для студентов заочной формы обучения

специальности 7.090510 - Теплоэнергетика

Раздел «Холодоснабжение промышленных предприятий»

МАРИУПОЛЬ ПГТУ 2004

УДК 621.51 (077)

Методические указания к контрольной работе по курсу «Системы производства и распределения энергоносителей промышленных предприятий» для студентов заочной формы обучения специальности 7.090510 – Теплоэнергетика. Раздел «Холодоснабжение промышленныхпредприятий» /Сост.: Соловьев А.А. – Мариуполь: ПГТУ, 2004. –10 с

Изложены краткие теоретические сведения о циклах холодильных машин. Рассмотрены схема и рабочий процесс холодильной компрессионной установки. Даны методика и рекомендации по расчету основных температур рабочего режима и параметров хладагента холодильной машины с одноступенчатым компрессором. Приведены таблица параметров насыщения для аммиака. Рекомендованы данные, необходимые для оформления отчета по контрольной работе для студентов заочной формы обучения. Представлен список необходимой литературы.

Составитель: А.А. Соловьев, доц.

Рецензент В.М.Житаренко, ст. преп.

Отв. за выпуск: В.Н.Евченко, доц.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных разделов курса «Системы производства и распределения энергоносителей промышленных предприятий» является холодоснабжение промышленных объектов, включая холодильные компрессионные станции для хранения пищевых продуктов и холодильники для технологических целей. После изучения теоретической части раздела студенты должны самостоятельно выполнить контрольную работу, связанных с определением основных параметров технологической схемы холодильной установки. С целью экономии затрат времени данная контрольная работа является частью последующего курсового проекта, поэтому исходные данные по ней одновременно служат заданием для курсовой работы. В процессе выполнения контрольной работы необходимо выбрать рабочий режим и построить термодинамический холодильный цикл в TS- и lgPI- диаграммах. Режимные параметры холодильного цикла заносятся в таблицу.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Искусственный холод применяется во многих отраслях промышленности. Наиболее широко используются поршневые компрессионные холодильные установки.

Современные холодильные машины работают с отклонениями от идеального обратного цикла Карно. На рисунке 1.1 представлен действительный цикл паровой компрессионной холодильной машины в диаграмме T–S.

Первое отклонение обусловлено заменой детандера регулирующим дроссельным вентилем, что удешевляет и упрощает установку. Вследствие этого процесс проходит не по адиабате, а по линии i = const. При этом уменьшается холодопроизводительность, и увеличиваются потери энергии.

Для компенсации уменьшения холдопроизводительности при дросселировании можно использовать переохлаждение хладагента перед регулирующим вентилем (линия 3¢ - 3). Это является вторым отклонением от цикла Карно. Такое изменение в цикле увеличивает удельную холодопроизводительность на величину площадки d-4-4¢-c-d. Переохлаждение можно осуществить водой в специальных переохладителях.

Процесс сжатия, в отличие от идеального цикла Карно, проходит в области перегретого пара с предварительным перегревом паров по линии 1-1¢, что является третьим отклонением. Расход энергии на сжатие при этом увеличивается, однако исключается возможность гидравлических ударов и повышается надежность работы машины (сухой ход), увеличивается объемный коэффициент l и повышается внутренний КПД h_oi компрессора.

Тепловой баланс холодильной компрессионной установки:

q₀ + L = q_к + q_по,

где q₀ – тепло, подведенное в испарителе, кДж/кг;

q_к – тепло, подведенное в конденсаторе, кДж/кг;

L – работа сжатия паров хладагента в компрессоре. кДж/кг;

q_по – тепло, отведенное в переохладителе, кДж/кг.

Основным показателем энергетической эффективности является холодильный коэффициент

E = q₀/L.

Основные уравнения для одноступенчатой компрессионной холодильной установки.

Работа сжатия. Процесс сжатия представлен на Т-S – диаграмме линией 1-2, а работа сжатия соответствует площади (а-2-2¢-3¢-3-5-1¢-b-a) = (2-2¢-3¢-3-f-d-4-1¢-b-a)

L = i₁ – i₂, кДж/кг.

2 Т_н

T

3¢ T_к, p_к 2¢

Т_по 3

1 Т_ВС

5 Т₀, р₀

6 4 4¢ 1¢

f d c b a S

Рисунок 1.1 – Цикл холодильной машины с одноступенчатым сжатием

в Т-S диаграмме

Подвод тепла в испарителе по линии 4-1¢, что соответствует площади (b-1¢-4-d-b)

q₀ = i_1¢ - i₄, кДж/кг.

Дросселирование по линии 3-4, что соответствует площади (3-5-6-3) =

(f-6-4-d-f)

i₃ = i₄, кДж/кг.

Суммарный подвод тепла в компрессоре и испарителе, площадь (f-2-2¢-3¢-3-а-f)

q₀ = L = i₂ – i₄, кДж/кг.

Суммарный отвод тепла в конденсаторе и переохладителе, площадь (a-2-2¢-3¢-3-f-a)

q_к + q_по = i₂ – i₃, кДж/кг.

2 ВЫБОР РАСЧЕТНОГО РАБОЧЕГО РЕЖИМА

Рабочий режим холодильной установки характеризуется следующими температурами:

t₀ - температура кипения жидкого хладагента в испарителе;

t_к - температура конденсации хладагента в конденсаторе;

t_по - температура переохлаждения жидкого хладагента перед регулирующим вентилем;

t_пе - температура перегретого пара на входе в компрессор (температура всасывания).

Температуру кипения хладагента принимают в зависимости от температуры воздуха в охлаждаемом помещении. При непосредственном охлаждении температура кипения обычно на 7 ¸ 10 °С ниже температуры воздуха в камере

t₀ = t_в – (7 ¸ 10) °С. (2.1)

В рассольных схемах температуру кипения хладагента принимают на 5 ¸ 6 °С ниже температуры рассола, которую, в свою очередь, принимают на 8 ¸ 10 °С ниже температуры воздуха в камере

t₀ = t_в – (13 ¸ 16) °С. (2.2)

Температура конденсации в конденсаторах, охлаждаемых водой, зависит от температуры и количества подаваемой воды. Оптимальной считают температуру конденсации, которая на 3¸5 °С выше температуры воды t_{вд 2}, отходящей из конденсатора

t_к = t_{вд 2} + (3 ¸ 5) °С. (2.3)

Нагрев воды в конденсаторах холодильных установок можно принять 2¸6 °С

t_{вд 2} = t_{вд 1} + (2 ¸ 6) °С. (2.4)

Температуру переохлаждения хладагента перед регулирующим вентилем принимают выше температуры подаваемой в переохладитель воды на 3¸5°С:

t_по = t_вд + (3 ¸ 5) °С. (2.5)

Свежая вода с температурой t_вд подается на переохладитель, а затем добавляется к оборотной воде, поступающей в конденсатор

Для исключения влажного хода компрессора пар перед компрессором перегревается. В машинах, работающих на аммиаке, перегрев может быть получен либо непосредственно в испарителе, если его заполнение регулируется по перегреву пара, либо в трубопроводе на пути к компрессору в результате притока тепла от внешней среды. Для машин, работающих на аммиаке, безопасность работы обеспечивается при перегреве пара на 5¸15°С

t_вс = t₀ + (5 ¸ 15) °С. (2.6)

Для фреонов (хладонов)

t_вс = t₀ + (5 ¸ 15) °С. (2.7)

3 ПОСТРОЕНИЕ ЦИКЛА ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ХЛАДАГЕНТА

Цикл паровой холодильной установки удобнее для расчета изображать в i-lg p – диаграмме (рис. 3.1).

На диаграмме i-lg p изображены следующие процессы:

4-1¢ - кипение хладагента в испарителе при t₀, p₀ (принято, что из испарителя выходит сухой пар - насыщенный);

1¢-1 – перегрев паров хладагента перед компрессоров от t₀ до t_вс при p₀ = const;

1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре;

2-2¢-3¢ - процесс отвода тепла в конденсаторе при p₀ = const, который можно разделить на два процесса: 2-2¢ - охлаждение пара до состояния насыщения и 2¢-3¢ - конденсация хладагента при t_к = const;

3¢-3 – переохлаждение жидкого хладагента в переохладителе от t_к до t_по при давлении p_к;

3-4 – дросселирование хладагента в регулирующем вентиле от p_к до p₀ по линии постоянной энтальпии.

Рассмотрим процесс построения цикла холодильной установки на примере. В качестве хладагента выберем хладон Ф-12 со следующими параметрами рабочего режима: t₀ = - 20°С; t_к = 35°С; t_по = 30°С; t_вс =5°С.

Вписывание цикла в диаграмму удобно начать с нанесения линии t₀ = - 20 °С, которая в области влажного пара совпадает с линией давления p₀ =0,15 МПа = 1,54 кгс/см². На пересечении этой линии с правой пограничной кривой лежит точка 1¢, характеризующая состояние сухого насыщенного пара (конец процесса кипения). Затем этот пар перегревается в испарителе или трубопроводе на пути из испарителя в компрессор. Перегрев протекает по изобаре р₀, которая в области перегретого пара изображается в i-lg p – диаграмме горизонтальной прямой линией, в T-S–диаграмме – восходящей кривой, на конце которой дано значение абсолютного давления. Давление р₀, проще и точнее можно определить по таблице насыщенных паров.

Lg p,

МПа 3 3¢ t_к, р_к 2¢ 2

t_по

t_вс

t₀, р₀

4 1¢ 1

i, кДж/кг

Рисунок 3.1 - Цикл холодильной машины с одноступенчатым сжатием в

i-lg p – диаграмме

Состояние пара, поступающего в компрессор, характеризуется точкой 1, лежащей в области перегретого пара на пересечении изобары p₀ = 0,15 МПа= 1,54 кгс/см² с изотермой, соответствующей температуре пара, всасываемого компрессором, t_вс = -5°С. Изотермы в области перегретого пара изображаются в i-lgp–диаграмме штрихпунктирными спадающими кривыми, в T-S – диаграмме – горизонтальными прямыми.

Состояние пара в конце сжатия характеризуется точкой 2, которая находится на пересечении адиабаты S = 4,60 кДж/(кг×К), проходящей через точку 1, с изобарой р_к (соответствующей температуре конденсации t _к = 35 °С). В области влажного пара изобара p_к = 0,846 МПа = 8,62 кгс/см² совпадает с изотермой t_к = 35 °С, а в области перегретого пара изображается аналогично p₀ горизонтальной линией в i-lg p – диаграмме и восходящей кривой в T-S – диаграмме.

Точка 2¢ лежит на правой пограничной кривой и характеризует состояние насыщенного пара (начало конденсации), а точка 3¢ - на левой пограничной кривой и характеризует состояние насыщенной жидкости (окончание конденсации).

Состояние переохлажденной жидкости в диаграммах характеризуется точкой 3, лежащей в области жидкости на пересечении изобары p_к с изотермой, соответствующей температуре переохлаждения t_по = 30°С. В T-S – диаграмме изобары в области жидкости сливаются с левой пограничной кривой, поэтому практически состояние переохлажденной жидкости (точка 3) находится на пересечении изотермы t_по = 30°С с левой пограничной кривой.

Состояние хладагента после дросселирования (точка 4) находится на пересечении изоэнтальпы i₃ = 429 кДж/кг, проходящей через точку 3, с изобарой p₀ = 0,15 МПа = 1,54 кгс/см² (или с изотермой t₀ = - 20 °С).

По диаграмме можно определить пять параметров в любой точке цикла, кроме удельного объема жидкости в точках 3 и 3¢. Удельный объем насыщенной и переохлажденной жидкости определяют только по таблицам насыщенных паров.

Термодинамические диаграммы не единственный источник для определения параметров хладагента. Проще и точнее можно определить параметры по таблицам насыщенных и перегретых паров соответствующих хладагентов.

По таблицам насыщенных паров определяют давления p₀ и p_к, а также все другие параметры точек, расположенных на пограничных кривых (1¢, 2¢, 3¢), т.е. параметры сухого насыщенного пара и насыщенной жидкости, по температурам t₀ = - 20 °С и t _к = 35 °С.

По таблице перегретых паров находят параметры точек 1 и 2, находящихся в области перегретого пара. Точки в области перегретого пара определяются двумя любыми параметрами. Так, по давлению p₀ = 0,15 МПа и температуре t _вс = - 5 °С находят другие три параметра v, i, s точки 1.

Параметры точки 2 находят по давлению p_к = 0,846 МПа и энтропии S = 4,60 кДж/(кг×К).

Параметры точки 4 по таблицам не определяют. Однако в процессе 3-4 энтальпия постоянна, т.е. i₄ = i₃, а i₃ берется из таблиц насыщенных паров.

Полученные данные заносятся в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 - Значения основных параметров хладагента

Точки цикла	ПАРАМЕТРЫ	Состояние
р, Мпа	t, °С	V, м3/кг	i, кДж кг	S, кДж кг
1¢	0,151	-20	0,109	542,96	4,57	Сухой насыщ. пар
	0,151	- 5	0,117	551,96	4,60	Перегретый пар
	0,846		0,024	584,87	4,60	Перегретый пар