Рассмотрим принцип действия компрессионных холодильных машин




Слайд

Холодильная машина - устройство, служащее для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Процессы, происходящие в холодильных машинах, являются частным случаем термодинамических процессов, т. е. таких, в которых происходит последовательное изменение параметров состояния рабочего вещества: температуры, давления, удельного объема, энтальпии. Холодильные машины работают по принципу теплового насоса - отнимают теплоту от охлаждаемого тела и с затратой энергии (механической, тепловой и т. д.) передают её охлаждающей среде (обычно воде или окружающему воздуху), имеющей более высокую температуру, чем охлаждаемое тело. Холодильные машины используются для получения температур от 10°С до -150°С. Область более низких температур относится к криогенной технике. Работа холодильной машины характеризуется их холодопроизводительностью.

Слайд

Первые холодильная машина появились в середине XIX в. Одна из старейших холодильных машин - абсорбционная. Её изобретение и конструктивное оформление связано с именами Дж. Лесли (Великобритания, 1810), Ф. Карре (Франция, 1850) и Ф. Виндхаузена (Германия, 1878). Первая парокомпрессионная машина, работавшая на эфире, построена Дж. Перкинсом (Великобритания, 1834). Позднее были созданы аналогичные машины с использованием в качестве хладагента метилового эфира и сернистого ангидрида. В 1874 К. Линде (Германия) построил аммиачную парокомпрессионную холодильную машину, которая положила начало холодильному машиностроению.

Слайд

Виды холодильных машин

Парокомпрессионные

Это универсальные и самые распространенные холодильные машины. Они имеют меньший расход энергии в сравнении с другими машинами и представляют невысокую опасность для экологии. Их отличительная особенность в том, что вся система полностью герметична. В основе работы лежит замкнутый цикл циркулирования хладагента внутри системы. На фото ниже можно увидеть, что парокомпрессионная холодильная машина — довольно массивная установка.

Хладагент (аммиак или фреон) доводится до кипения, и образующийся пар из испарителя попадает в конденсатор за счет работы компрессора. От конденсатора отводится тепло, так что пары хладагента превращаются в жидкость, которая снова поступает в испаритель при помощи дросселя, изменяющего уровень давления. Далее цикл повторяется. Таким образом действует замкнутая циркуляция хладагента внутри системы, за счет теплообмена в результате изменения термодинамического состояния хладагента.

В свою очередь, парокомпрессионные машины делятся на 4 вида в зависимости от типа компрессора: поршневые, турбокомпрессионные, ротационные, винтовые.

Слайд

Пароэжекторные

В основе этих машин лежит работа эжектора — устройства, которое осуществляет передачу кинетической энергии от среды, которая движется высокой скоростью, к среде, которая движется с меньшей скоростью.

В качестве хладагента обычно используется вода. При кипении пар воды попадает в эжектор, где энергия пара преобразуется кинетическую, и скорость пара возрастает. Он частично испаряется за счет пониженного давления. Таким образом вода охлаждается. Благодаря насосу пар поступает в конденсатор, где снова переходит в жидкое состояние, отдавая теплоту охлаждающей среде. Так охлажденная вода попадает в аппарат, потребляющий холод, а затем снова возвращается обратно, но уже нагретой.

Слайд

Абсорбционные

В основе лежит цикл двух жидкостей — хладагента и абсорбента. Обычно в качестве первого используется аммиак, а в качестве второго — вода. Аммиак хорошо растворяется в воде, так что водоаммиачный раствор может циркулировать по машине в различной концентрации аммиака, в зависимости от необходимого уровня в конкретной точке машины.

Проходящий через кипятильник хладагент испаряется, отводя тепло от охлаждаемого объекта. Проходя через испаритель, он попадает в конденсатор и отдает потребителю холод. Образующийся пар впитывается с помощью абсорбера, где соединяется с абсорбционной жидкостью. Получившийся концентрированный раствор насос откачивает в кипятильник, где снова происходит испарение хладагента, и цикл повторяется.

Холодильные машины такого типа часто используются на объектах с вторичными энергоресурсами (пар, теплая вода или отработанный газ от промышленных печей). Они потребляют мало электроэнергии, ведь в них нет компрессора.

Так же существует ещё два вида холодильных машин: воздушные (газо-расширительные) и термоэлектрические.

В качестве хладагента воздушных машин используется воздух, который сжимается и расширяется за счет изменяемого давления. Во время расширения газа снижается его температура. На фото видно, что эта холодильная машина — сложная и многокомпонентная.

В начале цикла воздух сжимается в компрессоре и переходит в промежуточный холодильник, где тепло от воздуха отводится в окружающую среду. Далее воздух поступает в детандер, с помощью которого снова охлаждается. В теплообменном аппарате температура воздуха повышается, и он снова подается в компрессор.

Основное преимущество воздушных холодильных машин — экологическая безопасность. Воздух не токсичен и взрывоопасен, легкодоступен.

Принцип работы термоэлектрических холодильных машин основан на эффекте Пельтье, или термоэлектрическом эффекте. В основе такой машины — спаянные между собой полупроводники. Когда по ним проходит ток, в местах спаев образуются разные температуры, так что один спай становится горячий, а другой — холодным.

Слайд

В основе работы холодильников лежит холодильный цикл. Простой паровой цикл механической холодильной машины реализуется с помощью четырех элементов, образующих замкнутый холодильный контур, – компрессора, конденсатора, дроссельного вентиля и испарителя или охладителя. Пар из испарителя поступает в компрессор и сжимается, вследствие чего его температура повышается. После выхода из компрессора пар, имеющий высокие температуру и давление, поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется. В некоторых конденсаторах используется режим переохлаждения, т.е. дальнейшее охлаждение сконденсировавшейся жидкости ниже ее температуры кипения. Из конденсатора жидкость проходит через дроссельный вентиль. Поскольку температура кипения (насыщения) для данного давления оказывается ниже температуры жидкости, начинается ее интенсивное кипение; при этом часть жидкости испаряется, а температура оставшейся части опускается до равновесной температуры насыщения (тепло жидкости расходуется на ее превращение в пар). Процесс дросселирования иногда называют внутренним охлаждением или самоохлаждением, поскольку в этом процессе температура жидкого хладагента снижается до нужного уровня. Таким образом, из дроссельного вентиля выходят насыщенная жидкость и насыщенный пар. Насыщенный пар не может эффективно отводить тепло, поэтому он перепускается мимо испарителя и подается прямо на вход компрессора. Между дросселем и испарителем установлен сепаратор, в котором пар и жидкость разделяются.

Рассмотрим принцип действия компрессионных холодильных машин

Компрессионные холодильники - наиболее распространённые и универсальные. Основными составляющими частями такого холодильника являются:

· компрессор, получающий энергию от электрической сети;

· конденсатор, находящийся снаружи холодильника;

· испаритель, находящийся внутри холодильника;

· терморегулирующий расширительный вентиль, ТРВ, являющийся дросселирующим устройством;

· хладагент, циркулирующее в системе вещество с определёнными физическими характеристиками.

Ко всем элементам холодильной машины предъявляется требование высокой герметичности. В зависимости от вида холодильного компрессора компрессионные машины подразделяются на поршневые, турбокомпрессорные, ротационные и винтовые.

Хладагент под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или ТРВ) поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости и превращение ее в пар. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, за счёт чего происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника.

Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор.

В конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и конденсируется, то есть превращается в жидкость. Процесс повторяется вновь.

Таким образом, в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя тепло, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая тепло.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объем испарителя вскипевшим хладагентом. Пропускное сечение ТРВ изменяется по мере снижения тепловой нагрузки на испаритель, при понижении температуры в камере количество циркулирующего хладагента уменьшается. Капилляр — это аналог ТРВ. Он не меняет свое сечение, а дросселирует определенное количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра и типа хладагента.

Обычно также присутствует теплообменник, выравнивающий температуру на выходе из конденсатора и из испарителя. В результате к дросселю поступает уже охлажденный хладагент, который затем ещё сильнее охлаждается в испарителе, в то время как хладагент, поступивший из конденсатора подогревается, прежде чем поступить в компрессор и конденсатор. Это позволяет увеличить эффективность холодильника.

При достижении необходимой температуры температурный датчик размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При повышении температуры (за счёт внешних факторов) датчик вновь включает компрессор.

Для повышения экономической эффективности холодильной машины (снижения затрат энергии на единицу отнятого от охлаждаемого тела количества теплоты) иногда перегревают пар, всасываемый компрессором, и переохлаждают жидкость перед дросселированием. По этой же причине для получения температур ниже -30°С используют многоступенчатые или каскадные холодильные машины.

В многоступенчатых холодильных машин сжатие пара производится последовательно в несколько ступеней с охлаждением его между отдельными ступенями. При этом в двухступенчатых холодильных машинах получают температуру кипения хладагента до -80 °С.

В каскадных холодильных машинах, представляющих собой несколько последовательно включенных холодильных машин, которые работают на различных, наиболее подходящих по своим термодинамическим свойствам для заданных температурных условий хладагентах, получают температуру кипения до -150 °С.

Слайд

Характерной особенностью цикла является всасывание компрессором влажного пара и сжатие до области насыщения, т.е. «влажного хода» компрессора. Такой режим работы при условии изоэнтропного сжатия является наиболее выгодным, так как приближает рабочий процесс холодильной машины к циклу Карно.

Однако в практических условиях предпочтителен «сухой ход» компрессора во избежание гидравлического удара. Для осуществления «сухого хода» пары холодильного агента из испарителя направляются в отделитель жидкости, где они освобождаются от жидкости. Схема и цикл реальной холодильной машины приведен на слайде.

Всасываемый сухой насыщенный пар (точка 1) компрессор изоэнтропно сжимает в области перегретого пара (процесс ), пар поступает в конденсатор, в котором сначала охлаждается до температуры насыщения (процесс ), а затем конденсируется. В процессе отвода теплоты перегрева (процесс ) из-за разности температур возникают необратимые потери.

В реальной машине осуществляют больший перегрев паров на всасывании. Компрессор всасывает и сжимает перегретые пары для надежной защиты от гидравлического удара (процесс ).

Потери цикла еще больше увеличиваются, так как появляются необратимые потери на всасывании от конечной разности температур в процессе перегрева паров (процесс ).

В действительном цикле паровой холодильной машины процессы теплообмена в теплообменных аппаратах происходят при конечных разностях температур. В реальных условиях в процессе кипения в испарителе , в процессе конденсации . То есть существуют вполне определенные разности температур, которые также представляют необратимые потери.

Слайд

Рассмотрим экспериментальное исследование тепло- и массообменных процессов промышленного холодильника овощехранилища.

Для проведения исследования была изготовлена модель холодильной камеры со штабелем, заполненного плодами и овощами и создан «плотный шарообразной слой». Модель холодильной камеры имеет следующие размеры: длина 100 см, ширина 60 см, высота 30 см, имитирует натурного объекта с размерами длиной 10 м, шириной 6 м и высотой 3 м (масштаб 1:10). Экспериментальная установка для исследования тепло – и массообмена в плодоовощном слое при охлаждении воздухом состоит из воздуховодов, вентилятора с электродвигателем, штабели продуктов и измерительного комплекса для определения теплотехнических параметров воздуха и продукта. Измерительный комплекс для определения температур воздуха и продукта состоит из хромелькопелевых термопар ТХК, переключателя, сосуд Дюара, лабораторного термометра с ценой деления 0,1 оС и автоматического многоточечного электронного потенциометра КСП – 4. Применение электронного потенциометра КСП – 4 позволяет быстро снимать температуру и легко ее обрабатывать. Относительная влажность воздуха измеряли психрометрами Асмана и Августа.

Аэродинамическое сопротивление потока воздуха в воздуховодах определяется пневмометрическими трубками, которые соединены с микроманометром. Скорость воздушного потока измеряли крыльчатыми и чашечными анемометрами. Через штабель продували охлаждающий воздух с заданными параметрами. В экспериментах измеряли температуру и относительную влажность воздуха в канале перед штабелем, в трех сечениях по высоте слоя, вес насыпи, ее высоту. В опытах варьировались параметры и удельный расход приточного воздуха, высота слоя, начальная температура продукта.

 

В работе исследован конвективный теплообмен между окружающим воздухом и штабелем плодоовощной продукции в условиях свободной конвекции. Опытный штабель с картофелем в холодильной камере охлаждался в условиях свободной конвекции (т.е. отключены системы вентиляции и воздухоохладители, при батарейном охлаждении).

 

На основе обработки опытных данных методом теория подобия и размерностей было установлено критериальное уравнение, описывающее теплообмен при свободном движении воздуха в холодильной камере (1).

При условиях вынужденной конвекции установлена следующая критериальная зависимость (2).

Анализ исследований показывает, что коэффициент теплоотдачи с поверхности картофеля в условиях свободной конвекции в основном зависит от температурного напора между поверхностью продукта и омывающим воздухом, от геометрических размеров продукта и пористостью (скважистостью) поверхности картофельной насыпи. В рассматриваемом случае коэффициент теплоотдачи с поверхности картофельной насыпи при свободной конвекции изменяется в пределах α = 2,2 – 7,92 Вт/(м2.К).

Опыты показывают, что теплообмен в холодильной камере при свободной и вынужденной конвекции происходит в ламинарном движении охлаждающего воздуха. Полученные уравнения подобия (1) и (2) полностью учитывают влияние естественной и вынужденной конвекции на конвективный теплообмен между охлаждающим воздухом и продуктом.

При охлаждении продуктов воздух удаляет накопившуюся на поверхности объектов хранения и выделяющуюся в процессе вентилирование влагу. Для определения плотности потока массы испаряющейся жидкости важным параметром является коэффициент массообмена.

Критериальные зависимости для определения коэффициента массообмена βр, отнесенный к размерности парциального давления пара, кг/(м2·с·Па): для условий свободной конвекции (3) и для условий вынужденной конвекции (4) при Re=2,2·104÷3,15·105,

где Num и Prm – массообменные критерии Нуссельта и Прандтля; D – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе при данной температуре и барометрическом давлении, м2/с.

Массообменные критерии Нуссельта и Прандтля определяются по выражениям (5) и (6), где β – коэффициент массообмена, м/с; l – характерный размер, м.

Основным недостатком эмпирических зависимостей (3) – (4) является невозможность учета физических условий на поверхности испарения. Способ определения коэффициента массообмена по формуле (4) учитывает только процесс испарения жидкости с плоской поверхности.

На основе концепции о единстве механизмов переноса теплоты и количество движения и по условие аналогии Рейнольдса предложено соотношение Льюиса (7), где αп – коэффициент теплоотдачи от поверхность продукта к воздуху, Вт/(м2·оС); ср – удельная изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·оС); ρ – плотность воздуха, кг/м3.

учитывая, аналогии между процессами тепломасообмена получена зависимость для определения величины коэффициента массообмена с поверхности продуктов, отнесенный к размерности парциального давления пара, кг/(м2·с·Па) (8)

Коэффициенты массообмена β и βр связаны соотношением (9), где R – газовая постоянная охлаждающего воздуха, Дж/(кг·оС); T – температура воздуха, К.

Для уточнения значений коэффициента массообмена эксперименты проводились при охлаждении опытного штабеля картофеля естественным холодным воздухом температурой tв=0оС. Параметры подаваемого воздуха изменяли в пределах часто встречающихся в производственных условиях (скорость 0,1÷2,5 м/с; относительная влажность воздуха 80÷90 %). Критерий Прандтля (=0,55), как показали эксперименты, в пределах изменение температуры 0÷15 оС Prm является постоянной величиной. Поэтому при обработке экспериментальных данных влияние этого параметра не учитывали.

Слайд

Результаты экспериментальных данных отражены на рис. 9.

На основе обработки опытных данных методом теория подобия получена следующая критериальная зависимость (10).


Анализ экспериментальных данных показывает, что коэффициент массообмена от поверхности продукта при охлаждении воздухом существенно зависит от скорости потока воздуха. В случае постоянной относительной влажности при росте скорости подаваемого воздуха от 0,1÷2,0 м/с коэффициент массообмена увеличивается примерно в 23,6 раз. Требуемая относительная влажность подаваемого воздуха поддерживалась увлажнением водой.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-12-28 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: