asyan.org
добавить свой файл
1
Визначення холодильного коефіцієнту побутового холодильника.
Мета: Ознайомитися із будовою, принципом роботи існуючих різновидностей холодильних установок. Навчитися визначати ефективність роботи холодильника шляхом розрахунку холодильного коефіцієнта.

1. Прилади та обладнання.

  1. Побутовий холодильник «Донбасс-9».

  2. Два термометри.

  3. Секундомір.

  4. Схеми холодильних установок.

2. Основні теоретичні відомості.

Холодильні установки використовуються для виробництва штучного холоду і для відводу теплоти від охолоджувальних об’єктів. Найпростіший спосіб штучного охолодження оснований на застосуванні льоду і снігу, танення яких супроводжується поглинанням 335 кДж теплоти на кожний кілограм. При атмосферному тиску лід і сніг тане при 0С. Більш низькі температури танення снігу і льоду можна одержати шляхом застосування їх сумішей з деякими солями. З підвищенням концентрації солі температура танення льодосоляної суміші понижується до деякого мінімуму, який називається кріогідратною температурою. При концентрації кухонної солі у льоду 23,1 % така температура становить – 21,2С. Низькі температури одержують також при розчині деяких солей в розчинах кислот, а також при використанні сухого льоду (тверда вуглекислота), сублімація якого проходить при – 78,9С з поглинанням одним килограмом 574 кДж теплоти. Але вказані способи одержання теплоти мають суттєві недоліки:

- необхідно мати запас цих матеріалів, транспортування і зберігання яких ускладнено;

- складності в запроваджені механізації та автоматизації в даних установках.

Більш досконалим способом одержання холоду є машинний, який оснований на використанні циклів холодильних машин. Ідеальним теоретичним циклом холодильної установки є зворотній цикл Карно (мал.84). Як прямий, так і зворотній цикл Карно складається з двох ізотерм і двох адіабат. Теплота, яка забирається з охолоджуваного тіла підводиться до холодильного агента при сталій температурі . Теплота відводиться в циклі при більш високій температурі .


Мал.84. Зворотній цикл Карно.
Цикл, який здійснюється з метою охолодження, називають холодильним. Його ефективність визначають шляхом розрахунку не коефіцієнта корисної дії, а – холодильного коефіцієнта.
, (204)
де - кількість теплоти, що відводиться від холодного джерела, а

- виконана при цьому робота.

В холодильних установках роль холодного джерела виконують повітря і всі ті об’єкти, які знаходяться в холодильній камері. Гарячим джерелом служить оточуюче середовище (наприклад, повітря кімнати, де розміщений холодильник). Згідно другого начала термодинаміки тепло, яке відводиться при охолодженні, не може саме переходити від тіла з більш низькою температурою в оточуюче середовище, яке має більш високу температуру. Щоб здійснити такий відвід необхідно витратити енергію від стороннього джерела. За рахунок витраченої енергії теплота відводиться від холодного джерела і передається гарячому. В парових і повітряних компресійних установках витрачається при цьому механічна робота, в ежекційних і абсорбційних – теплова, в електричних і магнітних – електроенергія. Тепло, яке відводиться від охолоджуючого тіла, в коловому процесі холодильної машини акомулюється холодильним агентом, який має температуру нижче температури охолоджуючого тіла.

Холодильним агентом називають теплопередаючу речовину, яка поглинає теплоту в процесі кипіння при низькій температурі і віддає її в процесі конденсації парів при високій температурі.

Для холодильних агентів використовують такі речовини:

1. Галогенні сполуки (сполуки хлора, фтора, брома-фреона).

2. Анізотропні суміші, тобто суміші, які можна розділити на компоненти перегонкою (наприклад, суміш фреона – 12 і дефторетана в співвідношенні 73,6 і 25,2 %).

3. Вуглеводні – метан СН4, етан С2Н2, пропан С3Н3.

4. Неорганічні сполуки – аміак NH3, вода Н2О, повітря, вуглекислий газ СО2, сірнистий ангідрид SО2. Ці сполуки застосовуються дуже рідко.

5. Ненасичені органічні сполуки – етилен, пропилен.

Холодильні агенти повинні мати високу об’ємну холодопродуктивність. Тиск кипіння холодильного агенту повинен бути вище атмосферного, а тиск в кінці стиску не повинен бути високим. Холодильний агент повинен мати високу теплоту пароутворення і низьку густину та в’язкість. При цьому повинен бути нейтральним до металів і прокладочних матеріалів, вибухобезпечним і негорючим. Холодильний агент повинен відповідати санітарно-гігієнічним нормам – не викликати отруєння, не подразнювати слизистих оболочок очей і дихальних шляхів.

Найпоширенішими холодними агентами є аміак і фреони. Температура кипіння аміаку NH3 при атмосферному тиску становить – 33,4С, температура замерзання – 77,7С, критична температура – 132,4С. Об’ємна холодопродуктивність при = -15С і = + 30С дорівнює 2166 . Аміак добре розчиняється у воді і погано в маслі, не вступає в реакцію з металами, має різький запах. В суміші з повітрям при концентраціях від 16 до 25 % по об’єму є вибухонебезпечним. Як правило, використовують аміак в абсорбційних холодильних установках, де розчинником служить вода.

Фреони – це хлористі і фтористі насичені вуглеводні. Фреон-11 (CFCl3), фреон-12 (CF2Cl2), фреон-13 (C2F2Cl2), фреон-14 (C2F4Cl2), фреон-22 (CНF2Cl), фреон-142 (C2Н3 F2Cl). Чим більше число атомів фтору, тим фреон має меншу токсичність, реакційну активність до металів, підвищується хімічна стабільність. Фреони без атомів водню не горять. В цілому всі фреони не токсичні, хімічно інертні, вибухонебезпечні, але вони мають низьку в’язкість і взаємну розчинність в маслі.

Парокомпресійна холодильна установка працює таким чином (мал.85). насичена пара холодоагента стискається компрессором 1 і подається на конденсатор 2, де, віддаючи теплоту в оточуюче середовище, частково конденсується. Утворенна парорідинна суміш направляється до дросельного вентилю 3, де її тиск і температура зменшується. Після дроселювання волога пара невисокого ступеня сухості з низькою температурою поступає у випробувач 4. Який розміщений в охолоджуючому просторі 5. За рахунок одержаної теплоти холодоагент випаровується. Найчастіше холодильним агентом в них служать фреони.


Мал.85. Парокомпресійна холодильна установка.

1-компресор, 2-конденсатор, 3-дросельний вентиль, 4-випаровувач, 5-охолоджуючий простір, 6-електродвигун.
Недоліком таких установок є громіздкість, шум під час роботи, відносно висока вартість як самого агрегату, так і його експлуатації. Але можливість використання електродвигуна як приводу компресора, надійність її в роботі дали таким холодильникам найпоширеніше застосування.

В повітряно-компресійних холодильниках установках робочий процес здійснюється таким чином (мал.80). Стиснуте компресором 1 повітря подається в охолоджувач 2, де охолоджується водою, віддаючи їй теплоту . Після цього вона подається в детандер 3 (турбіну, де здійснюється розширення до початкового тиску, виконуючи одночасно роботу і охолоджуючись від –60 до -70С). Потім холодне повітря направляється в теплообмінник, який розміщений в охолоджуючій камері, і віднімає теплоту . Такі установки розпочали будувати і застосовувати раніше парокомпресійних, але із-за малої ефективності і громіздкості внаслідок використання поршневих компресорів і детандерів вони практично були витіснені паровими. На відміну від попередніх ці холодильні машини мають такі переваги: меншу масу і можливість охолодження до більш низьких температур (від –80 до -135С).

Мал.86.Схема повітряної компресійної холодильної установки.
В пароежекторних холодильних установках для стиску холодильного агента використовується кінетична енергія потоку водяної пари. Такі установки знайшли широке застосування в промисловості для охолодження води, зокрема, в градирнях, бризгальних басейнах.

В установці (мал.87) замість компресора для стиску холодоагента використовується ежектор - компактний пристрій, який не має рухомих частин і не потребує механічного приводу. Ефект стиску тут досягається за допомогою кінетичної енергії пари, яка подається з котла. Стисла в дифузорі ежектора 1" суміш з пари холодоагента, яка потрапляє до ежектора з випарника 4, і з пари, введеної з котла 1', направлена до конденсатора 2, де, охолоджуючись повністю, конденсується. При виході з конденсатора рідина розгалуджується на два потоки. Один дроселюється в вентилі 3 до стану вологої пари з отупінню сухості до 10% (х=0,1) і подається потім в випарник 4, де відбирає тепло в охолоджуваному об'ємі. Другий потік конденсата спрямовується живильним насосом в котел 1', де за рахунок підведеної теплоти знову перетворюються в пару. Розглянуті установки прості, компактні, безшумні, дозволяють використовувати пару низьких параметрів, але малоекономічні і дають невелике охолодження. Так, при використанні водяної пари охолодження можливо всього до = 3…10С при = 30…40С.


Мал.87.Схема пароежекторної холодильної установки
Із абсорбційних холодильних установок найбільш відомі водоаміачні і бромистолітієні системи. Компресор в абсорбційній системі немов би замінюється генератором – абсорбером, вони не мають рухомих частин (якщо не враховувати насосів). Абсорбцією називається поглинання речовин із розчинів і газів всім об’ємом твердих тіл або рідин (поглинання тільки з поверхні – адсорбція).

Процес поглинання в абсорбері відповідає всмоктуванню парів холодоагента в компресор, а випарування одного із компонентів із розчину в кип’ятильнику – стиску і виштовхуванню його із розчину в компресорі. В останньому схема повторюється.

Як робоче тіло використовують розчин двох повністю розчинених один в одному речовин з різними температурами кипіння при одному і тому ж тиску. Компонент, який кипить при низькій температурі, називають холодоагентом, а при високій – абсорбентом. Так, наприклад, аміак NH3 виступає в ролі холодильного агента, а вода – в ролі абсорбента. Робота такого холодильника здійснюється таким чином (мал.88). До кип’ятильника 1 підводиться теплота від зовнішнього джерела, в результати чого розчин кипить при постійному тиску і із нього виділяються пари аміаку, які направляється в конденсатор 2. Тут здійснюється їх конденсація і теплота відводиться з охолоджуючою водою. Рідкий аміак із конденсатора проходить через дросель 3, його тиск і температура зменшується і у випаровувачі 4 він поглинає теплоту , яка відводиться від охолоджуючого об’єкта. Потім пари аміака направляються в абсорбер 1, де вони абсорбуються, віддаючи теплоту охолоджуючій парі, воді. Після цього насосом 5 охолоджений і збагачений аміаком розчин перекачується знову до кип’ятильник 1, з якого пари аміаку знову передаються до конденсатора, а випарований розчин через дросельний вентиль 6 повертається до абсорбера. Ці холодильники широко використовують для кондиціювання повітря.

Мал.88. Схема абсорбційної холодильної установки.
Термоелектричні холодильники працюють на основі ефекту Пельт’є. Через коло, яке має дві вітки 3 і спаї 1 і 2, пропускається струм так, щоб спай 1 охолоджувався, а інший 2 – нагрівався (мал.89). Такі холодильники мають малі розміри і масу, точно змінюють температуру в холодильній камері, не мають рухомих деталей і довговічні в роботі, хоча, мають нижчий к.к.д., ніж у механічних. Галузі застосування - медицина, побут, вакуумна техніка. Магнітні установки застосовують тільки для сильного охолодження – до температур близьких до абсолютного нуля в спеціальних дослідженнях.

Оскільки температури спаїв при стаціонарному режимі постійні, процеси відбору тепла при і відводу при можна вважать ізотермічними, але переходи з одного рівня на інший внаслідок теплообміну і виділення джоулевої теплоті – неадіабатними. Отже термоелектричні холодильники частіше роблять у режимі максимальної холодопродуктивності, а їх позитивні якості – малі габарити і простота – перевищують недоліки (мала економічність).

Мал.89. Схема термоелектричного холодильника.
3. Схема дослідної установки.
Визначення холодильного коефіцієнта будуть здійснюватися на побутовому холодильнику «Донбасс-9», який має такі технічні характеристики:

1. Загальний внутрішній об’єм 240 дм3.

2. Об’єм низькотемпературного відділення 26 дм3.

3. Температура в низькотемпературному відділенні - 12С.

4. Потужність електродвигуна для приводу компресора – 170 Вт.


Мал.90. Принципова схема побутового холодильника «Донбасс-9».


4. Послідовність виконання роботи.
1. Ознайомитися з правилами експлуатації холодильника. Користуючись термометром, визначити температуру в морозильній і холодильній камерах.

2. Ввімкнути холодильник в мережу і через 10, 15, 20 хвилин зафіксувати температуру в морозильній і холодильній камерах.

3. Визначити для кожного виміру кількість відведеної із холодильника теплоти:
(205)

де = 716,4 - теплоємність повітря;

- маса повітря в морозильній камері; = 1,29 ;

- маса повітря у холодильній камері;
(206)

де = 0,2 м3 – загальний внутрішній об’єм;
= 0,026 м3 – об’єм морозильної камери;

- температура оточуючого середовища;

- температура після охолодження у морозильній камері;

- температура у холодильній камері після охолодження.

4. Розрахувати витрачену для цього енергію:
, (207)

де = 170 Вт – потужність електродвигуна;

- час його роботи;

= 0,8 – коефіцієнт корисноъ дії компресора.

5. Для всіх трьох випадків визначити холодильний коефіцієнт
(208)


5. Методичні поради для самостійної роботи.
1. Ознайомитися з існуючими системами холодильних установок та методикою визначення холодильного коефіцієнта.

2. Вивчити будову, принцип роботи холодильника “Донбасс-9”.

3. Проаналізувати, від яких факторів залежить абсолютне значення холодильного коефіцієнта, та яким чином реалізувати найекономічніший режим роботи холодильника.
6. Рекомендації до оформлення звіту по роботі.
1. Коротко написати теоретичні відомості і послідовність виконання роботи. Нарисувати схему установки.

2. Всі результати експерименту та розрахунків занести в таблицю 54.

Таблиця 54


№ дос-ліду

Температура в морозильній і холодильній камерах, С

Виконана робота

q1, Дж

Відведена теплота q2, Дж

Холодильний коефіцієнт х




початкова

кінцева













Т1

Т2

Т2










1.



















2.



















3.



















4.




















3. Побудувати графік залежності .

7. Контрольні запитання.
1. Дати визначення другого закону термодинаміки.

2. Які існують холодильні агенти і які найпоширеніші?

3. Що розуміють під холодильним коефіцієнтом і яка існує методика його визначення?

4. Які існують види холодильних установок? Їх принцип роботи переваги, недоліки, галузі застосування.

5. Які особливості роботи парокомпресійних холодильних установок?

6. Як працюють абсорбційні холодильні установки?

7. Від яких факторів залежить значення холодильного коефіцієнта і які існують шляхи підвищення економічності холодильних установок?

8. Техніка безпеки.
1. Пам’ятати, що холодильник “Донбасс-9” живиться від мережі змінного струму напругою 220 В.

2. Надійно фіксувати термометр в холодильній камері.

3. Не торкатися руками до активних поверхонь морозильної камери.