Мета роботи. 1. Ознайомитись з будовою і принципом дії парової компресійної установки.

1. Ознайомитись з будовою і принципом дії парової компресійної установки.

2 Розрахувати і побудувати теоретичний цикл парової компресійної установки по заданим параметрам.

4.2. Підготовка до роботи

В сільськогосподарському виробництві для зберігання, а також переробки продукції, особливо продукції тваринництва, широко застосовується її охолодження. Охолодження може відбуватись з допомогою льоду, природного або штучного, суміші льоду і солі (льодосоляне охолодження). Зручним і економічним є машинне охолодження - з допомогою холодильних машин. Найбільш поширені парові компресійні машини. Холодильні машини призначені для охолодження тіл до температури нижче температури навколишнього середовища. В принципу роботи холодильних машин лежить II закон термодинаміки. Холодильна машина — це теплова машина і для її роботи треба мати два джерела теплоти — вище і нижче з різними температурами, а робоче тіло повинно здійснювати термодинамічний цикл. Для холодильних машин це зворотний цикл (рис. 7).

Для холодильної машини нижчим джерелом теплоти є тіло, яке треба охолодити (наприклад, в побутових холодильниках це продукти, які з ньому знаходяться). Верхнім джерелом теплоти є навколишнє середовище - повітря того приміщення, де знаходиться холодильник.

Здійснюється зворотний цикл так. Теплота q₂ відбирається від продукту охолодження (НДТ) і передається робочому тілу, яке розширюється (процес 1a2). Для того, щоб відбувся самодовільний процес теплообміну між НДТ і робочим тілом, треба щоб температура робочого тіла в процесі його розширення була нижче температури НДТ (продукту охолодження). Тоді теплота сама собою піде від тіла більш теплого (НДТ) до тіла менш теплого (робочого тіла). В парових компресійних машинах робоче тіло (воно називається холодильним агентом) при здійсненні циклу змінює свій агрегатний стан: з рідини перетворюється в пару, а потім пара конденсується в рідину.

Рис. 7. Зворотний цикл

На початку процесу розширення 1a2 холодильний агент - рідина, а в кінці процесу - пара. Тобто, в процесі 1a2 холодильний агент приймає теплоту від продукту охолодження, кипить (як правило, при t < 0, °С) і перетворюється в пару.

Відібрану від продукту охолодження теплоту q₂ треба передати навколишньому середовищу. Для цього холодильний агент стискується в процесі 2б1. В результаті його температура підвищується до температури, більшої за температуру навколишнього середовища. Тоді теплота сама собою піде від більш теплого тіла (стисненого гарячого холодильного агента) до менш теплого (повітря приміщення, де знаходиться холодильна машина).

На початку процесу 2б1 холодильний агент знаходиться в пароподібному стані при

t < 0, °С, при здійсненні процесу пара перегрівається, а потім конденсується при температурі, більшій температури навколишнього середовища. При конденсації холодильний агент віддає теплоту q₁. При чому q₁ = q₂ + l_ц Де l_ц - робота, витрачена на стиснення холодильного агента.

Таким чином, в процесі здійснення циклу холодильної машини два рази теплота сама собою переходить від більш теплого до більш холодного тіла: в процесі 1а2 від продукту охолодження до робочого тіла і в процесі 2б1 від робочого тіла до навколишнього середовища. В результаті теплота переходить від холодного тіла (продукту охолодження) до теплого (навколишнього середовища), але вже не сама собою, а з допомогою витрати енергії зовні - роботи l_ц, затраченої на стиснення робочого тіла. Робота l_ц, є компенсацією за передачу теплоти від холодного тіла до теплого.

Ефективність циклу холодильної машини оцінюється холодильним коефіцієнтом, який визначає, скільки теплоти відібрано від холодного тіла на одиницю витраченої роботи:

4.3. Будова і принцип дії холодильної машини

Принципова схема холодильної машини наведена на рис. 8. Основними елементами машини є: випарник, компресор, конденсатор і терморегулюючий вентиль (ТРВ).

В випарник 2 поступає рідкий холодильний агент - хладон (фреон) при температурі

t < 0, °С. Відбираючи теплоту від продукту охолодження, він кипить і перетворюється в пару. Температура продукту охолодження в результаті здійснення цього процесу знижується до температури нижче температури навколишнього середовища. При кипінні хладону в випарнику підтримується понижений тиск.

Утворена в випарнику пара відсмоктується компресором 3, стискується ним до більш високого тиску. При цьому пара хладону перегрівається до температури вище температури навколишнього середовища. Із компресора стиснена перегріта пара хладону поступає в конденсатор 4, де вона охолоджується потоком повітря, яке подається примусово з допомогою вентилятора 5. В процесі охолодження температура пари хладону знижується до температури конденсації при тиску після компресора, а потім пара конденсується, віддаючи теплоту повітрю.

Гарячий рідкий хладон після конденсатора поступає в терморегулюючий вентиль 1. ТРВ виконує дві функції. По-перше, він змінює термодинамічні параметри робочого тіла. Це відбувається при дроселюванні хладону: при проходженні його через місцеве звуження і подальшому різкому розширенні знижується тиск хладону від тиску нагнітання після компресора до тиску всмоктування після випарника, а температура зменшується від t > 0, °С після конденсатора до t < 0, °С на вході в випарник.

По-друге, ТРВ змінює подачу холодильного агента в випарник в залежності від припливу теплоти від об'єкту охолодження (його температури) до холодильного агента.

Таким чином, холодильний агент, який циркулює в машині, не витрачається, а на виробництво хладону затрачується тільки механічна енергія, яку одержують від електродвигуна, що приводить в дію компресор і вентилятор.

Рис. 8. Принципова схема холодильної компресійної машини

4.4. Холодильні агенти

В малих холодильних машинах як холодоагенти використовують хладон-12 (фреон-12, міжнародний індекс R-12) і хладон-22 (R-22).

Хладон-12 (дифтордихлорментан CF₂Cl₂) найбільш поширений холодильний агент. Він являє собою безбарвний газ, значно важчий за повітря, з дуже слабим запахом. Запах стає примітним при наявності його в повітрі більш 20%, (слабий запах ефіру), а при наявності повітрі більш 30% по об'єму з'являються ознаки отруєння організму через нестачу кисню.

Хладон-12 дуже текучий. Він здатний проходити через дрібніші нещільності, де повітря або аміак пройти не можуть.

Рідкий хладон-12 розчиняє мастило, не горючий, не вибухонебезпечний, практично не розчиняє воду. При відсутності вологи в хладоні-12 він нейтральний до всіх металів, які застосовуються в машинобудуванні. Нерозчинена вода в холодильних установках навіть в невеликих кількостях сприяє корозії і, замерзаючи, створює льодяні пробки, які забивають вузькі проходи, найчастіше в дросельних пристроях. Температура кипіння хладону-12при атмосферному тиску (100 кПа) мінус 29°С.

Хладон-12 широко застосовується в холодильних машинах з температурою кипіння до мінус 30°С і конденсації до плюс 70°С. Найбільше поширення він має в малих і середніх холодильних установках, але його використовують також в установках великої продуктивності.

Хладон-22 має добрі термодинамічні і експлуатаційні властивості. Він більш отруйний, ніж хладон-12, не вибухонебезпечний і не горючий. Рідкий хладон-22 може розчиняти в 8 разів більше води, ніж хладон-12. Температура кипіння пари при нормальному тиску мінус 40,8°С.

Хладон-22 нешкідливий, але при великій концентрації в повітрі він може бути задушливим.

В мастилі хладон-22 розчиняється необмежено при температурах вище 20°С, при більш низьких температурах його розчинність обмежена.

Хладон-22 має велику текучість, з металами майже не взаємодіє.

4.5. Установка і прилади

Експериментальна установка складається з холодильного агрегату Вс-07-3 з герметичним поршневим компресором

ФГ-07-3, ребристого випарника, розташованого в холодильній шафі, приладів автоматичного регулювання і захисту.

Технічна характеристика компресора:

Виконання середньотемпературне

Холодильний агент R-12 (фреон-12)

Мастило ХВ-12-18

Номінальна холодовидатність Вт/ккал/год 815/700

Марка компресора ФГ-07-3

Потужність двигуна компресора кВт 0,37

Сумарний об'єм, який описують

поршні компресора м³/с 0,88·10^-3

Кількість циліндрів шт 2

Частота обертання с^-1 23,6

Індикаторний к.к.д. 0,8

Механічний к.к.д. 0,85

Площа поверхні конденсатора м² 2,2

Потужність двигуна вентилятора Вт 30

Зарядка фреону кг 2,0

Зарядка мастила кг 2,0

4.5.1. Основні агрегати холодильної машини

Повітряний конденсатор - теплообмінний апарат, призначений для зниження температури перегрітої пари холодильного агента до температури конденсації і перетворення пари в рідину (конденсації пари).

Ресивер - герметична циліндрична посудина, є ємністю для рідкого холодильного агента, забезпечує стабільність і безпеку роботи холодильної установки, звільняє конденсатор від рідини і створює рівномірний потік рідкого агенту до ТРВ. Ресивер установлюється між конденсатором і терморегулюючий вентилем.

Фільтр-осушник - призначений для утримання надлишкової вологи і мастила в хладоні, тому що надлишкова волога при проходженні через ТРВ (якщо t < 0, °С) перетворюється в лід і "запаює" дросельний отвір.

Терморегулюючий вентиль (ТРВ) - це пристрій з малим прохідним перерізом (дросель), при проштовхуванні рідини через дросель приводить до зниження термодинамічних параметрів: тиску і температури хладону, а також регулює кількість холодильного агента, який надається в випарник, в залежності від кількості теплоти, що відбирається від охолоджуваного тіла.

Випарник - теплообмінний апарат, в якому теплота, що забирається від об'єкту охолодження, підводиться до рідкого холодильного агенту. В результаті теплообміну холодильний агент кипить і перетворюється в насичену пару, а температура об'єкту охолодження знижується.