2. Циклы каскадных хм

Для получения очень низких температур (tº ниже -70ºС) кроме многоступенчатых ХМ применяются каскадные ХМ. Они состоят из двух или трёх одно- или двухступенчатых машин. Принцип каскадной ХМ, состоящей из двух одноступенчатых машин:

Рис. 24. Каскадная ХМ

В испарителе И₁ нижнего каскада кипит ХА₁, охлаждая помещение. Пар в состоянии 1 засасывается компрессором КМ₁ и сжимается адиабатически (процесс 1-2) и в состоянии 2 направляется в холодильник Х₁ и охлаждается водой до состояния 3', затем пар охлаждается в конденсируется в испарителе-конденсаторе И-КД за счет теплообмена с кипящим ХА₂ верхнего каскада. Благодаря этому температура конденсации нижнего каскада t_k1 значительно ниже температуры охлаждающей воды. Жидкость в состоянии 4 дросселируется в РВ₁ и в состоянии 5 снова поступает в И₁.

Рис. 25. Цикл каскадной ХМ

В верхнем каскаде также осуществляется цикл одноступенчатой ХМ (1⁰-2⁰-3⁰-4⁰-5⁰), но в другом, более высоком интервале температур с ХА₂. В испарителе-конденсаторе И-КД кипит ХА₂, отнимая тепло от ХА₁. Для этого температура кипения верхнего каскада t₀₂ поддерживается на несколько градусов меньше температуры конденсации нижнего каскада t_k1.

Применение каскадных ХМ целесообразно при использовании разных хладагентов в отдельных каскадах: в нижнем каскаде используют ХА с низкими температурами замерзания и не требующие большого разрежения, а в верхнем – ХА, обычно применяемые в одноступенчатых ХМ. Так, например, для каскадных ХМ применяются фреоны R13 (нижний каскад) и R22 (верхний каскад).

Контрольные вопросы к разделу 1:

1. Какой цикл является термодинамически наиболее совершенным?

2. Каким показателем оценивают эффективность холодильного цикла?

3. Чем ограничено применение воздушных поршневых машин?

4. В чем преимущество цикла ПКХМ перед циклом ВКХМ?

5. Чем цикл реальной ПКХМ отличается от обратного цикла Карно?

Методические указания к выполнению курсового проекта

1. Порядок выполнения курсового проекта

Введение

1. Устройство холодильника (конструкция, описание основных элементов (компрессор, испаритель, конденсатор…), хладагентов).

2. Расчет теплопритоков в шкаф бытового холодильника

Рис.56. Эскиз холодильника

Исходные данные:

Аналог

Объем V/V₁, где V – общий объем холодильника, л; V₁ –объем морозильного отделения, л

Температура морозильной камеры

* - 6

** - 12

*** - 18

**** - 24

Температура холодильной камеры ,

Хладагент (ХА)

1. Проводим расчет теплопередающих поверхностей холодильного шкафа:

а) боковые стенки:

F₁, м² (F₁^’, м²)

F₁, м² (F₁^’’, м²)

б) дно F₂, м²

в) потолок F₃, м²

г) задняя стенка F₄, м² (F₄^’, м²)

д) дверь F₅, м² (F₅^’, м²)

2. Проводим расчет перепадов температур:

холодильная камера:

морозильная камера:

где - температура окружающей среды,

Температура окружающей среды принимается равной 32 (для умеренного климатического пояса) для всех поверхностей, кроме задней стенки. Для задней стенки температура окружающей среды принимается равной 45 .

3. Определяем коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций холодильника:

1. ,

где - коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой среды к внутреннему коробу холодильника, ,

- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности холодильника к окружающей среде, ,

– толщина внутреннего короба, м ,

- коэффициент теплопроводности внутреннего короба, ,

– толщина наружного короба, м ,

- коэффициент теплопроводности наружного короба, ,

– толщина изоляции, м ,

- коэффициент теплопроводности изоляции, .

Принимаем внутренний короб выполненным из полистирола , наружный короб – выполненным из стали ( ). В качестве изоляции обычно используется пенополиуретан (ППУ) с =0.025 .

_{Для горизонтальных поверхностей принимается:} , X

Для вертикальных поверхностей: =2,1

Коэффициенты теплопередачи ограждающих поверхностей:

а) боковые стенки k₁,

б) дно k₂,

в) потолок k₃,

г) задняя стенка k₄,

д) дверь k₅,

1. Проверка поверхностей на условия конденсации влаги

Считая, что относительная влажность =80 % , по диаграмме Малье определяем температуру точки росы ,

,

Чтобы на поверхностях холодильника не конденсировалась влага, должно выполняться следующее условие: .

Максимальные значения k:

1. стенка:

2. дно: : ,

3. потолок: ,

Во всех трех случаях должно выполняться условие . В противном случае необходимо изменять толщину изоляции.

2. Определяем теплопритоки через отдельные элементы ограждений холодильника:

.

Таблица 2.5.1

Теплопритоки через элементы ограждений

Ограждения	(холодильная камера)	морозильная камера)
Стенка 1 (бок)
Стенка 1 (бок)
Стенка 2 (дно)
Стенка 3 (потолок)
Стенка 4 (задн.)
Стенка 5 (дверь)
∑

3. Определяем теплопритоки от термической обработки продуктов:

= , Вт,

где

- удельная энтальпия продуктов при температуре окружающей среды, ,

– удельная энтальпия продуктов при температуре холодильной (морозильной) камеры,

_{При максимальном коэффициенте эксплуатации морозильная камера заполняется говядиной на 50 %, а холодильная камера – на 20 % (по объему):}X

, кг

, кг

Плотность говядины ( ) принимаем равной 1000

По таблице удельных энтальпий продуктов находим энтальпии говядины при температуре окружающей среды, холодильной камеры и морозильной камеры.

Суммарный теплоприток от термической обработки продуктов:

∑ , Вт.

Определяем теплопритоки при открывании двери холодильника:

где n – кратность воздухообмена в течение суток; n = 20-30 для холодильной камеры, n= 5-10 для морозильной камеры,

V - объем соответствующей камеры, м³,

- плотность воздуха при температуре окружающей среды, ,

- удельная энтальпия воздуха при температуре окружающей среды, ,

– удельная энтальпия воздуха при температуре холодильной (морозильной) камеры, .

, ,

где R=287 – газовая постоянная воздуха.

Теплоемкость воздуха .

Суммарный теплоприток при открывании двери:

, Вт.

5. Определяем теплопритоки от электроприборов:

= , Вт,

гдe – мощность электроприборов, Вт ( ),

- время открывания, с ( ).

6. Определяем суммарные теплопритоки и требуемую холодопроизводительность:

,Вт

, Вт

4. Тепловой расчет холодильной машины

   1. В холодильниках с естественной циркуляцией воздуха принимается:

- температура кипения хладагента,

= -температура конденсации хладагента.

2. По и определяем давление кипения , МПа,и давление конденсации , МПа.

Рис. 57. Схема работы холодильной машины:

КМ – компрессор; КД – конденсатор; ФО – фильтр-осушитель; РВ – регулирующий вентиль; И – испаритель; ТО – теплообменник

Строим рабочий цикл холодильной машины с учетом следующего:

Рис. 58. Цикл ХМ

Процесс 1-1' – подогрев паров хладагента в мотор-компрессоре.

- потеря на всасывающих клапанах.

- потеря на нагнетательных клапанах.

3. Для определения положения точки 4 используем уравнение теплового баланса:

- коэффициент, учитывающий долю регенерации в процессе перегрева. Откуда

4. Заполним таблицу основных параметров рабочих точек цикла:

Таблица3.4.1

Основные параметры рабочих точек цикла

№ точки	P, МПа	t, °C	i, кДж/кг	ν, м3/кг
а
1
1'
2
3
4
5

5. Рассчитываем следующие параметры:

1) Удельная массовая холодопроизводительность

2) Удельная объемная холодопроизводительность

3) Удельная теплота, отводимая от конденсатора

4) Удельная изоэнтропная работа цикла

5) Массовый расход рабочего тела холодильной машиной

6) Теплота, отводимая от конденсатора

7) Изоэнтропная мощность компрессора

8) Холодильный коэффициент цикла

5. Тепловой расчет и подбор холодильного компрессора

   1. Определяем объемный расход хладагента в компрессоре:

2. Определяем составляющие коэффициента подачи и рассчитываем коэффициент подачи :

,

где ,

- политропа расширения,

- относительный мертвый объем;

- коэффициент дросселирования;

- индикаторный коэффициент;

- коэффициент плотности;

- коэффициент подогрева.

3. Теоретическая объемная производительность компрессора:

,

По объемной производительности подбирается марка холодильного компрессора (в соответствии с ГОСТ 17008-85). Берутся следующие параметры:

;

- частота вращения вала;

- диаметр цилиндра;

- средняя скорость поршня;

- ход поршня.

Допускается относительное расхождение

4. Энергетические потери и мощность компрессора

- индикаторный КПД для малых холодильных компрессоров;

- мощность, затрачиваемая на сжатие паров в действительном компрессоре (индикаторная мощность);

- удельное давление трения;

- мощность на преодоление сил трения;

- эффективная мощность (на валу);

- механический КПД, учитывающие потери, связанные с трением;

- эффективный КПД.

Для того, чтобы перейти от эффективной мощности компрессора к мощности, потребляемой электродвигателем от сети , необходимо учесть КПД электродвигателя: .

- электрический КПД;

При сопоставлении компрессоров и в технических характеристиках используют эффективный холодильный коэффициент и общий (электрический) коэффициент .

6. Расчет теплообменных аппаратов

Проводится на основе известной рассчитанной нагрузки и

1. Конденсатор:

Определяем среднюю логарифмическую разность температур между воздухом и хладагентом и коэффициент теплопередачи К от воздуха к хладагенту:

- разность температур потоков на входе в конденсатор;

- разность температур потоков на выходе из конденсатора;

.

Для конденсатора .

Площадь теплообменной поверхности:

Рис. 59. Конденсатор

В большинстве случаев конденсатор представляет собой медную трубку с приваренными к ней прутьями диаметром 1,5 мм. При этом подбирается необходимое значение числа прутьев из равенства . Диаметр трубки и шаг s берется с холодильника-аналога.

2. Испаритель:

Температурный напор:

При наличии одного испарителя температурный напор и площадь теплообмена в холодильной камере не считаются;

Для испарителя ;

Площадь теплообменной поверхности:

.

7. Расчет капиллярной трубки

Обычно капиллярная трубка изготавливается из меди и имеет внутренний диаметр .

При заданной внутреннем диаметре вычисляем длину капиллярной трубки:

,

где - внутренний радиус капиллярной трубки.

Так как в области жидкой фазы хладагент имеет малую сжимаемость и незначительное изменение вязкости, то:

- объемный расход хладагента через капиллярную трубку;

- динамическая вязкость хладагента в т.3

- кинематическая вязкость и плотность хладагента в т.3 соответственно).

Приложение 5