Холодильные машины - файл n1.doc

Холодильные машины
скачать (1118 kb.)
Доступные файлы (2):
n1.doc629kb.23.12.2010 17:09скачать
n2.ppt973kb.27.12.2010 06:55скачать

n1.doc



ГОУ ВПО Саратовский Государственный Университет

имени Н.Г. Чернышевского

Институт химии

Базовая кафедра химической технологии нефти и газа

Холодильный машины (воздушная и паровая холодильные машины, цикл Карно)


Курсовой проект
Студента 331 группы 3 курса Института химии

Маркушина Станислава Евгеньевича

Научный руководитель

д.т.н., профессор _________Решетов В.А.
Зав. кафедрой хим. технологии

нефти и газа

д.х.н., профессор __________Кузьмина Р.И.

Саратов 2010

Содержание




1.Введение 3
2.1. Обратный цикл Карно 4

2.2. Принцип действия изотермического и адиабатического процессов 7

3.1. Воздушные холодильные машины 10

3.2. Воздушные холодильные машины нового поколения 14

4.1. Паровые холодильные машины 16
4.2. Принцип работы паровой компрессорной холодильной машины 17
5.Заключение 19
6.Литература 20


1. Введение

Холодильная машина, устройство, служащее для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Холодильная машина используются для получения температур от 10 °С до -150 °С. Область более низких температур относится к криогенной технике. Холодильная машина работает по принципу обратного цикла Карно - отнимает теплоту от охлаждаемого тела и с затратой энергии (механической, тепловой и т.д.) передает её охлаждающей среде (обычно воде или окружающему воздуху), имеющей более высокую температуру, чем охлаждаемое тело. Работа холодильной машины характеризуется ее холодопроизводительностью, которая для современных машин лежит в пределах от нескольких сотен Вт до нескольких мВт.

В холодильной технике находят применение несколько систем холодильных машин – адсорбционные, пароэжекторные, паровые, компрессорные и воздушно-расширительные, работа которых основана на том, что рабочее тело (холодильный агент) за счёт затраты внешней работы совершает обратный круговой термодинамический процесс (холодильный цикл). В абсорбционных и пароэжекторных холодильная машина для получения эффекта охлаждения используют кипение низкокипящих жидкостей. В воздушно-расширительных холодильных машинах охлаждение достигается за счёт расширения сжатого воздуха в детандере.

Итак, цель данного проекта состоит в изучение, рассмотрение и сравнение воздушной и паровой холодильных машин.


2.1.Обратный цикл Карно

Н.Л.С. Карно (1796-1832) - французский  физик, инженер,  показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами: рис.1, иначе это противоречило  бы второму началу термодинамики.



Рис.1 Цикл Карно

Второе начало термодинамики исторически возникло из анализа работы тепловых двигателей. Из формулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода  - периодически действующий двигатель,  совершающий работу  за счет охлаждения одного источника теплоты - невозможен.

Принцип действия теплового двигателя приведём на примере рис.2: от термостата с более высокой температурой  Т1, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой Т2, называемому холодильником,  за цикл передаётся  количество теплоты Q2, при этом совершается работа  A = Q1 - Q2.



Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется  в холодильной машине,  принцип действия которой представим на примере: рис.3: системой за цикл от термостата  с более низкой температурой  T2  отнимается количество теплоты Q2 и отдаётся  термостату с более высокой температурой T1 количество теплоты Q1. Для кругового процесса Q=A, но по условию, Q=Q2-Q1<0, поэтому A<0 и Q2-Q1=-A или Q1=Q2+A,  т. е.  количество теплоты Q1, отданное системой источнику теплоты при  более высокой температуре T1, больше количества теплоты Q2 полученного от источника теплоты при более низкой температуре T2, на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту  от менее нагретого тела и отдавать её более нагретому.

Однако вторе начало термодинамики  не следует  представлять так, что оно  совсем запрещает переход теплоты  от менее нагретого тела  к более нагретому. Ведь именно такой переход  осуществляется в холодильной машине: рис.3.  Но при этом надо помнить, что внешние силы совершают работу  над системой, т. е. этот переход  не является  единственным  результатом процесса.



Основываясь на втором начале  термодинамики, Карно вывел теорему, носящую теперь его имя:   из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры  нагревателей (T1) и холодильников(T2), наибольшим к.п.д. обладают  обратимые машины;  при этом к.п.д.  обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей (T1)  и холодильников (T2) равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела (тела, совершающего  круговой процесс  и обменивающегося  энергией с другими телами), а определяются  только температурами  нагревателя и холодильника.

Карно теоретически  проанализировал  обратимый наиболее экономичный  цикл,  состоящий из двух изотерм  и двух адиабат. Его называют  циклом Карно.

2.2. Принцип действия изотермического и адиабатического процессов

Рассмотрим  принцип действия изотермического и адиабатического процессов. При  изобарическом  расширении только  часть  получаемого телом тепла тратится  на работу. Остальная часть  переходит во внутреннюю энергию. Если  работа, совершенная газом, точно равна поглощенному теплу, то внутренняя энергия  газа  остаётся без изменения. Температура при этом тоже не  будет  меняться. Такой процесс называется  изотермическим.

Теплоотдача - не единственный  способ увеличения внутренней  энергии газа. Её можно увеличить, сжимая газ. Если такое  сжатие или расширение  не сопровождается  передачей тепла  каким-либо телам, то процесс  называется адиабатным. При адиабатном процессе работа сжатия  целиком переходит  во внутреннюю энергию тела. Полностью устранить  теплообмен газа  с окружающими телами  невозможно. Но можно вести сжатие  в условиях, когда этим теплообменом  можно пренебречь. Так, если быстро сжать газ  в каком-либо объеме, то теплоотдачей  через стенки объема можно пренебречь, а процесс можно считать  адиабатным.



Рассмотрим прямой цикл Карно:рис.4, в котором  в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд  с подвижным поршнем.

Цикл Карно можно изобразить на графике рис.3, где изотермические  расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 1-2 и 3-4, а адиабатические расширение сжатие - кривыми 2-3 и 4-1 . При изотермическом  процессе   U=const, поэтому  количество теплоты Q1, полученное газом от нагревателя, равно работе расширения A12, совершаемой газом  при переходе из состояния 1 в состояние 2:  

                                                                     (1)

При адиабатическом расширении  2-3  теплообмен с окружающей средой  отсутствует,  и  работа  расширения  A23 совершается  за счет изменения  внутренней энергии U:

                                                                     (2)   

Количество теплоты Q2, отданное  газом холодильнику  при изотермическом,  сжатии равно работе сжатия  A34:

                                                                (3)

Работа адиабатического сжатия

                                                          (4)

Работа, совершаемая в результате кругового процесса ,

                 (5)

и, как можно показать определяется площадью, заштрихованной на рис.3.

Термический к.п.д. цикла Карно

                                                                              (6)

Применив уравнение для диабад 2-3 и 4-1, получим

                                     

откуда

                                                                                             (7)

Подставляя (1) и (3) в формулу (6) получаем

         

т. е. для цикла Карно к.п.д. действительно определяется  только температурами  нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. К.п.д. всякого  реального  теплового двигателя  из-за трения  и неизбежных тепловых потерь гораздо меньше  вычисленного  для цикла Карно.

Обратный цикл Карно положен в основу действия тепловых насосов. В отличие от холодильных машин  тепловые насосы должны как можно больше тепловой энергии  отдавать горячему телу, например, системе отопления. Часть этой энергии отбирается от окружающей среды с более низкой температурой, а часть  - получается  за счет механической работы, производимой, например, компрессором.

Теорема Карно послужила основанием для установления термодинамической шкалы температур. Для сравнения температур двух тел необходимо осуществить  обратимый цикл Карно, в котором одно тело  используется в качестве нагревателя,  другое - холодильника. Отношение температур тел равно отношению отданного в этом цикле количества теплоты к полученному. Согласно теореме Карно химический состав рабочего тела не влияет на результаты сравнения температур, поэтому такая термодинамическая шкала не связана со свойствами какого-то определённого  термодинамического тела. Отметим,  что практически таким образом сравнивать температуры трудно, так как реальные термодинамические процессы, как уже указывалось, являются необратимыми.




3.1. Воздушные холодильные машины


Воздух как хладагент привлекал в себе внимание давно, с тех пор как только начали создаваться первые холодильные машины.

В воздушных машинах используют эффект резкого снижения тем­пературы при расширении сжатого газа с отдачей работы. Машина, конструкция которой основана на этом принципе, называется де­тандером. Если направить сжатый воздух в цилиндр поршневого детандера, то поршень начнет перемещаться, вращая коленчатый вал, т. е. производить работу. Температура выходящего в атмосферу воздуха снизится с 20 до —90 °С.

Теплоемкость воздуха весьма низкая. Поэтому для отвода значи­тельных теплопритоков надо пропускать через холодильную машину большое количество воздуха. Это приводит к тому, что поршневые машины становятся очень громоздкими. Выгоднее применять турбодетандеры и турбокомпрессоры. В турбодетандере сжатый газ по­дается на лопатки рабочего колеса (турбины), вращая его с большой скоростью (до 5000 оборотов в секунду).

Коэффициенты теплоотдачи воздуха малы, что заставляет исполь­зовать громоздкие теплообменные аппараты. Однако в отличие от других хладагентов отработавший воздух можно просто выбрасы­вать в атмосферу (работать по разомкнутому циклу), что позволяет обойтись без конденсаторов и испарителей.


Рассмотрим схему воздушной холодильной машины с теплообменником: рис.5. Центробежный компрессор КМ забирает воздух из атмосферы (точка 1) и сжимает его до давления 0,3—0,4 МПа; при этом воздух нагревается до 130—160 °С (точка 2). В охладителе ОХ воздух охлаждается водой до 30 °С и поступает в теплообменник ТО, где охлаждается примерно еще на 50—60 9 холодным воздухом, идущим из камеры. В турбодетандере воздух расширяется, объем его увеличивается в 3—4 раза), отдавая свою энергию турбине, соединенной общим валом с компрессором. Затрата мощности в электро­двигателе компрессора на эту величину будет меньше. Температура воздуха при расширении в детандере снижается от - 20 °С до - 50/-70 °С. В камере охлажденный воздух отбирает теплоту от про­дуктов и, нагревшись примерно на 10 °С, поступает в теплообменник, где охлаждает воздух высокого давления и при 10—15 °С выбрасывается в атмосферу. Повышая давление в компрессоре до 0,5—0,6 МПа, можно подавать в камеру воздух, температура которого -80/-100°С.

Использование вакуумного ци­кла позволяет обойтись без водяного охладителя (воздух при 130—160 °С выбрасывается в атмосферу). Кроме того, в этой схеме вместо теплообменника уста­новлены два регенератора. Эти ап­параты более просты и компактны, чем поверхностные теплообмен­ники.

Регенератор имеет внутри наполнитель, например металличе­ские гофрированные или бугорча­тые ленты, свернутые в диски. Воздух из атмосферы (точка 3) через переключающийся кла­пан 1ПК попадает в левый регене­ратор 1РГ (предварительно охлаж­денный) и, охладившись в нем до -70/-80 °С, через клапан ЗПК поступает в камеру. Отобрав теп­лоту от камеры, воздух нагревается на 10—20 °С (процесс 4—5) и поступает в турбодетандер ДТ. Здесь он расширяется от атмосферного давления до 50 кПа, охлаждаясь при этом с —50 до —84 °С, и поступает в регенератор 2РГ, чтобы ох­ладить его и подготовить к работе (процесс 6—1). Затем воздух сжи­мается компрессором до атмосферного давления (1—2) и горячий выбрасывается наружу. Когда правый регенератор достаточно ох­ладится, клапаны (1ПК—4ПК) переключаются, и воздух из атмо­сферы начинает поступать в правый регенератор, а холодный воз­дух из турбодетандера — в левый (на схеме показано пунктиром).

Схема установки для получения жидкого воздуха: рис. 7, ко­торую разработал академик П. Л. Капица, аналогична схеме воздуш­ной машины с теплообменником. В отличие от преды­дущей схемы здесь воздух, поступающий из детандера, охлаждает не камеру, а сжатый воздух, который после теплообменника ТО (точка 4) поступает в межтрубное пространство конденсатора. Тем­пература воздуха, расширившегося в детандере с 0,6 до 0,1 МПа, составляет -180/-190 °С. Проходя вверх по трубкам конденса­тора, холодный воздух низкого давления отбирает скрытую теплоту парообразования от воздуха высокого давления, который кон­денсируется при —173 °С (точка 8).



С температурой около —175о (точка 6) воздух низкого давления охлаждает в теплообменнике ТО сжатый воздух и выходит в атмосферу (точка 7). А жидкий воздух, поступающий из межтрубного пространства конденсатора, дроссе­лируется в вентиле 1РВ до атмосферного давления (процесс 8—9) и через вентиль 2РВ сливается в сосуд Дьюара СД. Этот сосуд имеет двойные стенки, между которыми создается глубокий вакуум. Не­значительный теплоприток позволяет длительное время сохранять в таком сосуде жидкий воздух. Испарение его очень мало. При дрос­селировании в вентиле 1РВ частично образуется пар, температура которого —194 °С (температура кипения при атмосферном давлении). Этот пар также поступает на охлаждение воздуха высокого давления.

Много интересных схем получения глубокого холода разработал крупный советский ученый С. Я. Герш.

К машинам с разомкнутым циклом относятся и машины для по­лучения сухого льда: рис 7. Диоксид углерода С02 последовательно (в три ступени) сжимается компрессорами до 6—7 МПа и, охлаждаясь во­дой в конденсаторе, превращается в жидкость. При дросселирова­нии этой жидкости до атмосферного давления образуется пар и твер­дый диоксид углерода («сухой лед»). Пар отсасывается компрессором первой ступени, а лед спрессовывают в блоки, вынимают из льдо­генератора и отправляют в хранилища сухого льда.



Использование жидкого воз­духа или сухого льда для ох­лаждения особенно выгодно там, где требуется эпизодическое ох­лаждение (при медицинских опе­рациях, при испытании отдель­ных приборов и т. д.).

3.2. Воздушные холодильные машины нового поколения

Воздушные холодильные машины нового поколения предназначены для одновременного прямого получения в установке холодного и теплого воздушного потоков. Экологически безопасны. Удовлетворяют всем требованиям Монреальского и Киотского протоколов по защите окружающей среды: рис.8.

Эффективны для применения в морозильных аппаратах в пищевой (в том числе, при производстве мороженого) и рыбной промышленности, при низкотемпературной очистке вредных газообразных выбросов, охлаждении попутного и природного газа, в системах кондиционирования и теплоснабжения взрыво- и пожароопасных помещений, в криомедицине.



Рис.8. Воздушные холодильные машины нового поколения

Воздушная холодильная машина (ВХМ) представляет собой малоразмерную воздушную турбину, установленную на одном валу с тормозной газодувкой. За счет расширения воздуха в турбине происходит его охлаждение. Через систему трубопроводов холодный воздух подается потребителю. Газодувка обеспечивает забор атмосферного воздуха, его сжатие, нагрев и подачу.

Ротор турбины вращается на газовых подшипниках, применение которых полностью исключает загрязнение окружающей среды продуктами смазки.

Машина функционирует от пневмосети, воздух в которой осушен до точки росы -400С и очищен от твердых частиц размером более15 мкм. Рабочее давление пневмосети - 4 атм.

Основные отличительные черты ВХМ по сравнению с традиционно используемыми системами охлаждения на основе парокомпрессионных установок и жидкого азота:

Применение ВХМ по сравнению с парокомпрессионными установками становится экономически эффективным при охлаждении воздуха ниже -35ОС.

На базе ВХМ Т-17/8 и Т-34/8 созданы турбоохлаждающие станции ТОС-17, ТОС-34.

Станции предназначены для комплектации скороморозильных аппаратов туннельного типа, используемых при шоковой заморозке рыбы производительностью 200 и 400 кг/час. Станции снабжены рекуперативными теплообменниками, запорной и регулирующей арматурой, фильтрами, контрольно-измерительными приборами.


4.1. Паровые холодильные машины
Паровые холодильные машины: рис.9 являются наиболее распространенным типом холодильных машин. Они применяются для получения искусственного холода в широком интервале температур: от 278 К (одноступенчатые холодильные машины) до 113 К



Рис.9. Паровая холодильная машина

Холодопроизводительность паровых холодильных машин охватывает диапазон от нескольких сот Ватт до нескольких тысяч кВатт. Главной отличительной особенностью паровых холодильных машин является то, что рабочее вещество в процессе совершения обратного кругового цикла меняет свое фазовое состояние и может находиться в состоянии насыщенной или «переохлажденной» жидкости, сухого, насыщенного, перегретого или влажного пара. Основными элементами паровой холодильной машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство для расширения рабочего вещества. Для сжатия рабочего вещества в паровых холодильных машинах применяются различные типы компрессоров: поршневые, винтовые, центробежные, осевые и ротационные.

В качестве конденсатора и испарителя могут применяться теплообменные аппараты различного типа. Выбор цикла паровой холодильной машины зависит, прежде всего, от температуры источника низкой температуры и от температуры окружающей среды. Существенное влияние на цикл имеют тип компрессора и теплообменных аппаратов, рабочее вещество и схема холодильной машины.


4.2. Принцип работы паровой компрессорной холодильной машины

Насыщенный пар низкокипящей жидкости с давлением Р1, температурой Т1, степенью сухости Х1 всасывается компрессором Км адиабатно сжимается: рис.10. При сжатии давление и температура хладагента возрастают, пар перегревается. Из компрессора перегретый пар с давлением Р2 и температурой Т2 поступает в теплообменник Т, в котором теплота q1 самопроизвольно передаётся какому-либо теплоносителю.



Рис.10 Схема работы паровой компрессорной холодильной машины
Процесс отвода тепла идёт при постоянном давлении Р2, при этом температура уменьшается до температуры насыщения Тн, а пар изменяет состояние до степени сухости Х = 0. После теплообменника в дроссельном устройстве снижается температура хладагента до значения, меньшего температуры охлаждаемого тела. Давление рабочего тела дроссельным устройством снижается до давления Р4, что приводит к фазовому переходу хладагента: он начинает испарятся с увеличением степени сухости. Поскольку газообразная часть хладагента имеет температуру ниже его температуры инверсии, то при дросселирование температура пара снижается до Т4. Далее парожидкостная смесь поступает в испаритель И. В испарителе к хладагенту при постоянном давлении Р4 = Р1 подводится тепло q2 от охлаждаемого тела. Температура хладагента не изменяется (происходит фазовый переход - выкипает жидкая фаза во влажном паре) до состояния, когда степень сухости пара достигнет значения Х = 1. Образовавшийся пар вновь засасывается компрессором и цикл повторяется.

КПД паровой машины составляет примерно 45 %

5. Заключение
Мы выяснили, что потери энергии в компрессоре и детандере обуславливают низкую действительную экономичность воздушных холодильных установок. Основным достоинством воздушной холодильной машины является безвредность и доступность холодильного агента. А при применение быстроходных и турбодетандеров (расширителей) воздушные холодильные машины обретают компактность и небольшую массу.
Т.к. в паровой холодильной машине процессы испарения и конденсации хладагента происходят не только при постоянном давление, но и при постоянной температуре, паровые холодильные установки имеют более высокий, чем воздушные, холодильный коэффициент. Так же можно сказать, что т.к. теплоемкость паров значительно выше теплоемкости воздуха, то паровые холодильные установки имеют большую удельную холодопроизводительность и меньшие габаритные размеры. Однако, паровая холодильная машина так же имеет ряд недостатков, основными из которых являются возможность возникновения гидравлического удара в компрессоре и значительный теплообмен влажного пара со стенками компрессора и трубопроводов.


Литература

  1. В.Д. Карминский Техническая термодинамика и теплотехника. 2005. – 7 с.

  2. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько Основы термодинамики и теплотехники. 2008. – 10 с.

  3. А.А. Гуржский Теплотехника. 2003. – 14 с.

  4. А.В. Быков Холодильная техника. 1985. – 17с.





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации