Теоретические основы холодильной техники

Курсовая работа

К холодильной технике относятся технические устройства, предназначенные для создания и поддержания температур ниже температуры окружающей среды. До температуры окружающей среды (атмосферный воздух, вода естественных водоемов, грунт) любое тело можно охладить естественным путем.

Искусственный холод получают двумя способами. Первый основан на аккумулировании естественного холода и относится к области ледяного и льдосоляного охлаждения и в данном курсе не рассматривается.

Второй способ составляет основу машинного охлаждения. Согласно второму закону термодинамики для получения холода необходимо затратить внешнюю работу или теплоту. При этом от охлаждаемого тела отводится теплота и подводится к источнику окружающей среды. Охлаждаемое тело называют источником теплоты низкой температуры.

Диапазон температур, достигаемых с помощью холодильных машин, достаточно широк: от положительных значений температур, близких к температуре источника окружающей среды, до температуры предела искусственного охлаждения — абсолютного нуля (0 К, или -273,15 ºС).

В данном курсе рассматриваются способы получения температур и циклы различных типов холодильных машин, работающих в области умеренных температур охлаждения (-160 ºС < t < t ОС ).

Промышленные холодильные машины, работающие в области умеренного холода, можно разделить на три основные группы: компрессорные, теплоиспользующие и термоэлектрические. Компрессорные холодильные машины используют для работы энергию предварительно сжатого в компрессоре газа, теплоиспользующие (пароэжекторные и абсорбционные) — теплоту греющего источника, термоэлектрические — непосредственно электрическую энергию.

В компрессорных и теплоиспользующих холодильных машинах протекают сложные термодинамические и газодинамические процессы, а в термоэлектрических — термоэлектрические, связанные с переносом теплоты при воздействии потока электронов на атомы. Поэтому основной теоретической базой для изучения основ холодильной техники являются такие , как «Термодинамика», «Теплопередача», «Механика жидкости и газа», «Физика», «Электротехника».

^

ТЕМПЕРАТУРЫ В ОБРАТНЫХ ЦИКЛАХ

Холодильная машина является комплексом элементов, при помощи которых рабочее вещество совершает обратный термодинамический цикл за счет затраты работы или теплоты. Температура рабочего вещества в обратном цикле может понижаться при таких процессах, как дросселирование, расширение с совершением полезной работы, расширение в вихревой трубе. Кроме того, для получения низких температур применяют: термоэлектрический эффект, магнитокалорический эффект и десорбцию газов. Последние два способа применяют в лабораторной практике для получения температур ниже 4 К. В обратных циклах используют также фазовые превращения рабочего вещества: при подводе теплоты — кипение и сублимацию, а при отводе теплоты — конденсацию и абсорбцию.

8 стр., 3933 слов

Заморозка и охлаждение рыбы

... низкой температурой. Способы получения искусственного холода классифицируются по требуемой температуре охлаждения. Условно различают умеренное охлаждение (диапазон температур +20 ... -100 °С) и глубокое охлаждение (температура ниже -100 °С). 5. Способы охлаждения пищевых продуктов (мяса, рыбы, птицы, ...

Дросселирование

Рис. 1.1. Схема дросселирования

Первый закон термодинамики для потока жидкости выглядит следующим образом:

dq вн + dqтр = dh + cdc + dlтехн + dlтр , (1.1)

где dq вн — теплота, подведенная извне (при адиабатном процессе равна 0); dqтр -теплота трения; dh — изменение энтальпии; c — скорость жидкости; dc — изменение скорости жидкости; dlтехн — полученная полезная работа (в нашем случае равна 0); dlтр — работа, совершенная против сил трения.

Теплота трения равна работе трения (dq тр = dlтр ), тогда dh + cdc = 0.

Так как скорости потока до диафрагмы и после нее приблизительно равны, то cdc = 0 и тогда dh = 0 или h 2 = h1 . Таким образом, получили, что в результате дросселирования значение энтальпий рабочего вещества до и после местного сопротивления одинаковы, хотя в самом процессе дросселирования энтальпия может меняться. Поэтому процесс дросселирования называют псевдоизоэнтальпным и на диаграммах изображают штриховой линией (——).

Изменение температуры рабочего вещества в процессе дросселирования характеризуется коэффициентом дросселирования или дифференциальным дроссельным эффектом и определяется по формуле:

, (1.2)

где Т — температура; Р — давление; v — удельный объем; С р — теплоемкость.

Изменение температуры рабочего вещества при дросселировании при конечном перепаде давлений называется интегральным дроссельным эффектом и определяется из соотношения:

∆Т h = (1.3)

где Т 1 и Т2 — температуры рабочего тела перед диафрагмой и за ней.

Из уравнения (1.2) следует:

1) если , то , и тогда при дросселировании температура рабочего вещества возрастает (отрицательный дроссельный эффект);

2) если , то , и тогда при дросселировании температура рабочего вещества понижается (положительный дроссельный эффект);

3) если , то , и тогда при дросселировании температура рабочего вещества не меняется (точка инверсии).

Для идеального газа (уравнение состояния pv = RT) , т.е. идеальный газ дросселируется без изменения температуры.

З нак коэффициента дросселирования для реальных газов зависит от параметров его состояния. Состояние рабочего вещества, при котором называется точкой инверсии эффекта дросселирования, а геометрическое место точек инверсии на диаграмме состояния называется кривой инверсии. На рис. 1.2 кривая инверсии нанесена штрихпунктирной линией ( ).

Рис. 1.2. Процесс дросселирования в диаграмме Т-S

Кривая инверсии разграничивает области положительных и отрицательных значений Над кривой инверсии т.е. в этой области при дросселировании температура рабочего тела повышается, под кривой инверсии , т.е. в этой области при дросселировании температура рабочего тела понижается.

43 стр., 21067 слов

Прогнозирование последствий аварии с аммиачными веществами на ...

... Аммиак относится ко 2 группе. Во 2 группу входят вещества, у которых критическая температура выше, а температура кипения ниже температуры окружающей среды. При разгерметизации емкостей с ... определяющим характер поведения токсичных веществ ингаляционного действия при выбросах (проливах), является максимальная концентрация его паров в воздухе. В промышленной токсикологии используют показатель, ...

Таким образом, можно сделать вывод, что знак дроссельного эффекта при дросселировании газов зависит от давления и температуры газа перед дроссельным устройством, а при дросселировании жидкостей дроссельный эффект всегда положительный, т.е. при дросселировании жидкостей температура жидкости всегда понижается. Поэтому дросселирование жидкостей используется в парокомпрессионных, абсорбционных и пароэжекторных холодильных машинах.

^

Необходимо рассмотреть, как меняются параметры состояния рабочего вещества при расширении с совершением внешней работы на примере поршневого детандера (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Адиабатное расширение газа

Перед расширением газ находится между крышкой цилиндра и днищем поршня под давлением P 1 и имеет температуру Т1 . Расширяясь, газ будет перемещать поршень вправо, совершая при этом внешнюю работу по перемещению поршня. Давление падает до значения P2 , а работа, совершаемая рабочим телом при расширении, отводится из системы. Будем считать, что расширение осуществляется без внутренних потерь и без теплообмена с окружающей средой, т.е. расширение идет изоэнтропно, ds = 0. В этом случае работа совершается за счет энергии рабочего тела, поэтому его температура всегда понижается. Изменение температуры рабочего вещества в процессе расширения характеризуется коэффициентом обратимого изоэнтропного расширения и определяется по формуле:

. (1.4)

Из уравнений (1.2) и (1.4) получается

= . (1.5)

Так как v и С р всегда положительны, то >.

Таким образом, с точки зрения понижения температуры, изоэнтропное расширение газа с совершением полезной работы более эффективно, чем дросселирование.

Изменение температуры рабочего вещества при конечном перепаде давлений в процессе расширения в детандере определяется из соотношения:

∆Т S = . (1.6)

Сравнить процессы дросселирования и адиабатного расширения можно, построив данный процесс на диаграмме состояния рабочего вещества (рис. 1.3).

В области перегретого пара при одинаковых начальных условиях и одинаковом конечном давлении: дросселирование — процесс 1-2h, расширение с совершением полезной работы — процесс 1-2s. Из сравнения двух процессов видно, что ∆Т S существенно больше ∆Тh . Если рассмотреть эти же процессы, проходящие в области влажного пара, станет видно, что понижение температуры в этих процессах одинаково. Работа, которую можно получить в процессе расширения незначительна, а конструкция детандера гораздо сложней и дороже как в изготовлении, так и в эксплуатации по сравнению с дроссельными устройствами. Поэтому детандеры не применяют в паровых холодильных машинах, а широко используют для получения температур ниже -90 ºС в газовых детандерных холодильных машинах и в криогенной технике.

5 стр., 2433 слов

» Влияние температуры и влажности воздуха на спортивную ...

... даже медленное перемещение раствора из желудка в кишечник будет обеспечивать кровь углеводами [3]. 1.2. Влияние пониженной температуры на спортивную работоспособность. При пребывании человека в условиях пониженной температуры воздуха (Крайний Север, Заполярье) энергия АТФ ...

Вихревой эффект

Рис. 1.4. Принципиальная схема вихревой трубы:

1 — дроссельный вентиль; 2 — холодный конец; 3 — сопло; 4 — диафрагма; 5 — теплый конец

Воздух с массовым расходом G вх при температуре окружающей среды и давлении 0,3-0,8 МПа поступает в цилиндрическую трубу через тангенциальное сопло по касательной к внутренней поверхности. Поступивший в трубу воздух совершает вращательное движение в пространстве, которое с одной стороны ограничено диафрагмой с центральным отверстием, а с другой — дроссельным вентилем.

С термодинамической точки зрения процессы, происходящие в вихревой трубе, сводятся к тому, что воздух, находящийся вблизи оси трубы и имеющий меньшую линейную скорость, отдает кинетическую энергию остальной массе воздуха и поэтому охлаждается. Другая часть воздуха, находящаяся на периферии вблизи стенок трубы, воспринимает эту энергию и нагревается. Холодный воздух в количестве G х выходит через центральное отверстие в диафрагме, а с другой стороны трубы через дроссельный вентиль выходит теплый воздух в количестве Gт = Gвх — Gх .

Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать дроссельным вентилем. При этом изменяются не только доли теплого и холодного потоков воздуха, но и их температуры. Температуру холодного воздуха можно получить на 30-80 градусов ниже начальной температуры. Наиболее низкие температуры холодного потока наблюдаются при доле холодного воздуха около 30 %.

Большие необратимые потери при расширении в вихревой трубе предопределяют большие энергетические затраты, которые значительно превышают затраты при изоэнтропном расширении с совершением внешней работы. Простота конструкции вихревой трубы обусловила ее практическое применение в ряде случаев, когда энергетическая сторона вопроса не столь существенна, например, при периодической потребности в охлаждении. Данный способ получения низких температур применяется в вихревых холодильных машинах.

^

На рис. 1.5 показана схема термоэлемента.

Рис. 1.5. Схема термоэлектрического элемента

Два полупроводника P и N образуют цепь, по которой проходит постоянный ток от источника Е. В результате поглощения теплоты на одних спаях (А) и выделения на других (В) устанавливается разность между температурами спаев.

Если температура на охлажденном спае Т х ниже температуры холодного источника, а температура на горячих спаях Тг выше температуры окружающей среды, то термоэлемент будет выполнять функцию холодильной машины, перенося теплоту от холодного источника к окружающей среде. При этом роль рабочего тела будет выполнять непосредственно электрический ток.

Полезную холодопроизводительность термоэлемента определяют по формуле:

(1.7)

где R — электрическое сопротивление элемента; k — теплопроходимость элемента; ∆Т = Т г — Тх. .

Энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин значительно ниже эффективности других типов машин, однако простота, надежность и отсутствие шума делают использование термоэлектрического охлаждения весьма перспективным.

5 стр., 2442 слов

Относительная влажность воздуха

... протеканием труб, а именно охлаждением воздуха. Рассмотрим формулу (1): pненас - давление данного ненасыщенного пара, например в состоянии А, а pнас - значение давления насыщенного пара при той же температуре. Но ... как это значение меньше 100 %, то видно, что даже холодные пары спирта, возле стекол, еще не являются насыщенными, и спирт конденсироваться не будет. Но надо заметить, что если ...