Книга: Определение равновесной температуры воздуха в охлаждаемом помещении на примере низкотемпературны
Название: Определение равновесной температуры воздуха в охлаждаемом помещении на примере низкотемпературны Раздел: Промышленность, производство Тип: книга | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ Кафедра «Холодильная техника» ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАВНОВЕСНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ОХЛАЖДАЕМОМ ПОМЕЩЕНИИ ( НА ПРИМЕРЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРИЛАВКОВ И ШКАФОВ ) Методические указания к лабораторной работе для студентов специальностей 140504, 190603 и направления 140500 ВВЕДЕНИЕ Настоящая лабораторная работа посвящена изучению и закреплению знаний студентов по разделу "Типы холодильных установок, холодильников, параметры охлаждающей среды” курса “Холодильные установки”. В то же время, в той или иной степени, рассматриваются отдельные вопросы разделов: "Изоляция охлаждаемых помещений", "Расчет теплопритоков в охлаждаемые помещения”, “Способы охлаждения помещений и аппаратов", "Малые холодильные установки". Студенты также знакомятся с оборудованием лабораторного стенда и его приборами, методикой проведения исследований, с различными производственными ситуациями по установлению температуры воздуха в охлаждаемом помещении. При включении холодильной машины в охлаждаемом помещении устанавливается температура ниже температуры наружного (окружающего помещение) воздуха. Тогда внутрь помещения начнут проникать теплопритоки через наружные ограждения , при этом от продуктов (грузов), располагаемых в охлаждаемом помещении, будет отводиться теплоприток . Кроме того, при эксплуатации охлаждаемого помещения в него будут проникать теплопритоки , вносимые при открывании дверей и выделяемые различными источниками, находящимися внутри помещения (от людей, от осветительных приборов, от двигателей и др.). Все эти теплопритоки должны быть отведены испарителем холодильной машины (). В установившемся состоянии наступит равенство подводимых в камеру теплопритоков и отводимых испарителем, т.е. при балансе: При наступлении равновесия между теплопритоками и теплоотводом в камере установится определенная температура, называемая равновесной температурой . Рассмотрим наиболее простой случай, когда внутрь охлаждаемого помещения проникают только наружные теплопритоки . Такое допущение вполне реально. Например, если в камеру хранения положили охлажденные или замороженные грузы, имеющие температуру , то от них теплопритока не будет. Не будет теплопритока от грузов и в случае, если это камера длительного хранения, куда грузы заложены уже давно и их температура стала равна температуре в охлаждаемом помещении. Исключение составляют плоды и овощи, которые при хранении (при температуре выше температуры замерзания) выделяют теплоту "дыхания". При закрытых дверях в камеры не будут поступать теплопритоки, вызванные открыванием дверей, а специальные камеры для хранения продуктов в регулируемой газовой среде вообще открываются редко и доступ в них людей возможен только в специальном противогазе, защищающем органы дыхания. При отсутствии людей в камерах освещение должно выключаться, следовательно, теплопритока от освещения не будет. Поэтому возможно (для простоты) принять, что . Для ограждения, не подверженного действию солнечной радиации: (1) Холодопроизводительность испарителя: (2) Из уравнений (1) и (2) следует, что равновесная температура воздуха в охлаждаемом помещении: , (3) где: , - коэффициенты теплопередачи наружного ограждения камеры и охлаждающего прибора (батареи, воздухоохладителя) соответственно, ; , - площади поверхностей наружных ограждений охлаждаемого помещения и охлаждающих приборов соответственно, ; - температура рабочего тела (кипения хладагента) в приборах охлаждения, . Наличие других (кроме ) теплопритоков приведет к повышению температуры в охлаждаемом помещении. При этом установится равновеснаятемпература: (3а) Холодильные установки работают при переменных внешних условиях, поэтому рассматриваемое равновесие является временным явлением. Соответствующие преобразования уравнения (3) приводят к выводу, что температура воздуха в охлаждаемом помещении в общем виде устанавливается на уровне: Выполнение работы рассчитано на 4 часа. При этом значительная часть расчетов и оформление работы проводится во внеаудиторное время (в аудитории, библиотеке, дома). В содержание отчета должно входить: - титульный лист - оформленные журнала наблюдений; расчеты; построенные на их основе графики зависимостей , , , ; выводы об установлении ,, коэффициента рабочего времени машины ; проведенные сравнения расчетных и наблюдаемых в лабораторной работе величин; - умение ответить на поставленные вопросы. Порядок выполнения работы УСТРОЙСТВО ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА Лабораторный стенд смонтирован на базе холодильного низкотемпературного прилавка ПХН-1-0,4 М с холодильной машиной. Стенд включает потенциометр КСП-4 многоточечный, инструмент, приборы КИП. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНОГО НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРИЛАВКА Прилавок ПХН-1-0,4 М предназначен для кратковременного хранения и продажи непосредственно из него предварительно замороженных продуктов в продовольственных магазинах и имеет следующую техническую характеристику: - средняя температура за цикл в центре охлаждаемого объема (при температуре окружающего воздуха не более 32°С и его относительной влажности не более 55%) °С____________________________________- 13; - номинальный внутренний объем, м3 _________________________0,4; - максимальная одновременная загрузка продуктов, кг___________80; Характеристика холодильного агрегата: - тип_________________________________________________ВН 400; - холодопроизводительность, Вт_____________________________410; - расположение____________________________________встроенный; - холодильный агент_____________________________R134а или R22 ; - ток______________________________________________трехфазный; - установленная мощность, Вт, не более_______________________411; - коэффициент рабочего времени холодильного агрегата, не более ________________________________________________________0,75; - оттаивание испарителя автоматическое, с помощью трубчатого электронагревателя мощностью, Вт_____________________________400; - масса, кг, не более_______________________________________210. Описание конструкции прилавкаПрилавок холодильный низкотемпературный (рис. 1) состоит из холодильной камеры и машинного отделения. Холодильная камера представляет собой короб, внутренняя обшивка которого выполнена из листового алюминия. Наружные обшивки прилавка выполнены из листовой стали, окрашенной в белый цвет. Между наружными обшивками и внутренним коробом уложен теплоизоляционный материал ПСБ-С. Изоляционный материал окрашен с обеих сторон битумом толщиной по 1 мм для уменьшения возможности его увлажнения. Рис. 1. Продольный разрез прилавка холодильного низкотемпературного ПХН-1-0,4 М: 1 – машинное отделение; 2 – поддон; 3 – воздухоохладитель; 4, 5 – манометры; 6 - термометр наружного воздуха; 7 – манометрический термометр; 8 – створки раздвижные; 9 – потенциометр КСП-4; 10 – холодильная камера; 11 – решетки для продуктов; 12 – щитки воздуховодов; 13 – теплоизоляция; 14 – термореле ТР-1-02Х. Доступ в камеру осуществляется сверху через две раздвижные створки. Машинное отделение с трех сторон имеет легкооткрывающиеся решетки. Внутри машинного отделения установлен холодильный агрегат и при боры автоматики. Температура в охлаждаемом объеме поддерживается на расчетном режиме работой холодильной машины (рис. 2), которая состоит из холодильного агрегата, испарителя, терморегулирующего вентиля, конденсатора. Циркуляция охлажденного воздуха в объеме камеры - искусственная. Автоматическое управление работой холодильного агрегата осуществляется с помощью термореле TP-I-02X. Для контроля температуры в объеме камеры предусмотрен манометрический термометр, смонтированный на стенке с наружной стороны прилавка. Оттаивание инея с испарителя осуществляется трубчатым электронагревателем, а автоматическое управление оттаиванием испарителя осуществляется реле времени и температуры РВТ 12/24. Конденсат из испарителя стекает в поддон, расположенный в машинном отделении. Дальнейшее удаление влаги из поддона необходимо производить в какую-либо емкость не реже одного раза в сутки. Рис. 2. Схема холодильной Рис. 3. Конструкция наружного машины: ограждения прилавка: 1 – компрессор холодильного 1 – алюминиевый лист; агрегата; 2 – вентиль двуххо- 2 – теплоизоляция; довой; 3,7 – манометры; 3 – слой пароизоляции(битум); 4 – испаритель(воздухоохла- 4 – стальной лист. дитель); 5 – вентилятор с дви- гателем воздухоохладителя; 6 – вентиль терморегулирую- щий 22ТРВ-0,6В; 8 – конден- сатор; 9 – вентилятор с двига- телем конденсатора; 10 - ресивер. Холодильный агрегат ВН 400Агрегат холодильный герметичный поршневой низкотемпературный ВН 400 является частью холодильной установки и располагается в машинном отделении. Холодильная установка работает нормально при температуре окружающего воздуха от -5 до +45°С. Техническая характеристика агрегата: - холодопроизводительность номинальная (при температуре кипения хладагента -35°С и температуре окружающего воздуха +20°C), Вт____410; - компрессор: тип__________________________________герметичный поршневой; число цилиндров N , шт.____________________________________2; диаметр цилиндров Dц, м________________________________0,036; ход поршня S, м________________________________________0,018; синхронная частота вращения вала n , с-1 ______________________25; - конденсатор: тип__________________ребристо-трубный воздушного охлаждения; площадь поверхности охлаждения, м2 ________________________2,2; - воздухоохладитель: тип________________________________________ребристо-трубный; площадь поверхности Fo , м2 _______________________________4,33; - ресивер вертикального типа емкостью, м3 _________________0,0014; - электродвигатель компрессора мощностью, NДВ.К , Вт__________370; - электродвигатель вентилятора мощностью NДВ. В , Вт___________30. Потенциометр КСП-4Потенциометр КСП-4 многоточечный предназначен для измерения температуры воздуха в камере, на поверхности ребер и на поверхности трубок воздухоохладителя. В качестве датчиков применяются хромель-копелевые термопары. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА 1. Изучите устройство изолированного ограждения. Для этого откройте крышку прилавка над воздухоохладителем. Измерьте штангенциркулем толщину составляющих элементов изолированного ограждения (стенки): стального листа, алюминиевого листа, теплоизоляции (рис. 3). Примите, что толщина слоя пароизоляции (битума) с каждой стороны изоляции составляет по 0,001 м. Познакомьтесь с материалами, их структурой, свойствами. Результаты запишите в журнал наблюдений (табл. 1) в колонки 3 и 5. При этом учтите "Описание конструкции прилавка”. Используя приложение 1, впишите в табл. 1, колонку 7 значения коэффициентов теплопроводности материалов. Для простоты проведения лабораторной работы и расчетов примите, что все ограждения, в том числе покрытие (створки) и днище прилавка, однотипны, и их конструкции соответствуют рис. 3. Следовательно, размеры элементов конструкций такие же, как у стенки. 2. Нарисуйте схему, как на рис. 4. Определите наружные размеры А, В, С, Д, Е (в метрах) наружного ограждения и запишите на схеме значения снятых размеров. 3. При работе холодильной установки определите температуру в следующих точках и запишите ее в табл. 2: - с помощью термометра 6 (рис. 1) - температуру наружного воздуха; - потенциометром КСП-4 9 (рис. 1) - температуру воздуха в камере прилавка и уточните ее по манометрическому термометру 7 (рис. 1) (); при этом и должны быть равны; - с помощью потенциометра КСП-4 - температуру охлаждающей поверхности воздухоохладителя: на поверхности ребра () и на поверхности стенки трубы (). 4. Определите избыточное давление конденсации и кипения и (в атм) по манометрам 5 и 4 соответственно (рис.1) или 7 и 3 соответственно (рис.2), Результаты занесите в табл. 2. 5. С помощью часов заметьте для одного из циклов время включения (), выключения () и повторного включения () компрессора холодильного агрегата при данной настройке термореле холодильного агрегата. Определите продолжительность работы, например, в минутах: и продолжительность цикла: Результаты запишите в табл. 2. (Необходимо иметь ввиду, что время цикла складывается из продолжительности работы компрессора и продолжительности - его остановки, т.е. ). Журнал наблюдений Таблица 1 . Характеристика наружного ограждения
А=2м, В=0.8 м, С=0.87 м, Д=0.42м, Е=0.58 м Таблица 2. Параметры работы холодильной установки
ПРОВЕДЕНИЕ РАСЧЕТОВ. ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ. ВЫВОДЫ Проведение расчетов 1. Определите коэффициент теплоотдачи от внутренней обшивки ограждения камеры к воздуху камеры. При этом используйте уравнение Юргеса: , где: - коэффициент теплоотдачи от внутренней обшивки ограждения камеры к воздуху камеры, ; - скорость движения воздуха в камере; по результатам исследований . 2. Примите коэффициент теплоотдачи от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения . 3. Определите коэффициент теплопередачи наружного ограждения в по формуле: При определении , значения величин примите в соответствии с их значениями, приведенными в табл. 1. 4. Определите толщину ограждения и суммарную площадь наружных ограждений из выражений: , где: - толщина наружного ограждения, . Рис. 4. Схема снятия наружных размеров наружного ограждения прилавка. 5. Пользуясь выражениями: и , определите абсолютные давления и в МПа. Установите вид хладагента и запишите в табл. 2. Пользуясь таблицами параметров насыщенных паров хладогентов R134а или R22 (приложения 2 и 3), определите температуры конденсации и кипения соответственно по давлениям и . Полученные результаты запишите в табл.2. По таблице: , . Проверьте полученные температуры и (табл. 2). Для ориентировочных расчетов можно рекомендовать уравнения: - для температуры конденсации (расчетной): C , где C - температура воздуха на выходе из конденсатора; при этом - температура воздуха на входе в конденсатор; - для температуры кипения (расчетной): C , исходя из температуры на поверхности ребра воздухоохладителя; C , исходя из температуры на стенке трубы воздухоохладителя. Результаты расчетов запишите в табл. 2. 6. Определите объем, описываемый поршнями компрессоров пользуясь выражением: При расчетах используйте сведения о компрессоре ВН 400. 7. Примите в дальнейших расчетах, что коэффициент теплопередача воздухоохладителя составляет . Построение графиков Задача определения равновесной температуры воздуха в охлаждаемом помещении и равновесной температуры кипения рабочего тела в дальнейшем решается после графического построения зависимостей , , . Эти зависимости соответственно называются характеристиками компрессора, испарителя, наружного ограждения. Здесь же строится график, характеризующий суммарные теплопритоки . В общем виде они представлены на рис. 5. Рис. 5. Характеристики компрессора, испарителя, наружного ограждения, график суммарной тепловой нагрузки. Для построения характеристик используйте координатную бумагу (миллиметровку). Задайтесь масштабом по оси ординат - для нанесения значений (рекомендуется диапазон ) и по оси абсцисс - для нанесения, значений (рекомендуемый диапазон ). 1. Постройте характеристику наружного ограждения, используя выражение (1). Для этого температуре задайте несколько произвольных значений: а) , для которого ; б) от до , в) от до , При расчетах значения примите согласно табл. 2. Для построения характеристики на оси абсцисс отложите значение и на оси ординат (точка ), далее в принятом масштабе отложите и и соответствующие им значения и (точки и ). Через полученные точки , и проведите прямую линию . 2. Постройте характеристику испарителя, используя выражение (2). Задайте температуре несколько произвольных значений: a) , для которого ; б) из диапазона от до , в) из диапазона от до , При расчетах примите значения: по данным табл. 2, , . Для построения характеристики на оси абсцисс в принятом ранее масштабе отложите значение температуры и на оси ординат соответствующее ей (точка ). Далее отложите температуры и и соответствующие им значения и (точки и ). Через полученные точки , и проведите прямую линию . 3. Постройте характеристику компрессора с использованием выражения , (4) где: - холодопроизводительность компрессора, ; - объем, описываемый поршнями, ; - коэффициент подачи компрессора; - удельная объемная холодопроизводительность, ; - удельная массовая холодопроизводительность, ; - удельный объем пара хладагента, всасываемого в компрессор, (рис. 6). Поскольку зависимость при криволинейна, рекомендуется ее строить по пяти расчетным значениям . Для этого задайтесь произвольными значениями : , , , , . При этом целесообразно, чтобы они имели целые значения и выбирались следующим образом: С , , С С , С , С . Для этих значений произведите расчеты циклов паровой компрессионной холодильной машины. Результаты расчетов занесите в табл. 3. Во всех пяти расчетных случаях необходимо принять температуру конденсации хладагента одинаковую и равную (табл. 2). Величина перегрева пара ∆ при всасывании его в компрессор одинакова и принимается ∆. Так как в схеме данной фреоновой холодильной машины регенеративный теплообменник не предусмотрен, то величина переохлаждения ∆ жидкого хладагента перед регулирующим вентилем также одинакова и составляет ∆. Температура всасывания ∆. Температура жидкого хладагента перед регулирующим вентилем ∆ и во всех расчетных случаях одинакова. По известным в каждом расчетном случае значениям , , , постройте циклы паровой компрессионной холодильной машины в тепловой диаграмме для R134а или R22 в зависимости от вида применяемого хладагента. Значения параметров в узловых точках цикла , , , запишите в табл.3. При этом значения , соответствующие температурам кипения , , , , , более точно могут быть определены по приложениям 2 (для R134а) или 3 (для R22). Давление примите по табл.2. Произведите расчет цикла для каждого расчетного случая и определите: - удельную массовую холодопроизводительность, , ; - отношение давления конденсации к давлению кипения ; - по рис. 7, в зависимости от величины отношения, коэффициент подачи компрессора (для каждого из расчетных случаев в зависимости от вида применяемого хладагента). Учитывая известные величины , а для каждого расчетного случая , , , найдите значения из уравнения (4). Результаты запишите в табл. 3. Необходимо уточнить полученные значения , для этого по pиc. 8 при значениях , , , , и соответствующей (в вашем случае при ) найдите паспортные значения . Результаты запишите в табл.3 для сравнения с . При существенных различиях в значениях и выясните причину, внесите исправления. На оси абсцисс (рис. 5) в принятом ранее масштабе отложите значения температур кипения , , , , , а по оси ординат соответствующие им значения . По полученным точкам , , , , , постройте график зависимости от toпри известном значении . Таблица 3. Расчет холодопроизводительности компрессора.
4. После определения прочих теплопритоков постройте график суммарных теплопритоков . К прочим теплопритокам в данном случае можно отнести теплоприток от двигателя вентилятора воздухоохладителя: , (5) где: - теплоприток от двигателя вентилятора, ; - мощность двигателя вентилятора воздухоохладителя, . Остальные теплопритоки (от грузов, от освещения, при открывании дверей и др.) в данном случае отсутствуют. Для построения графика суммарной тепловой нагрузки (рис. 5) от точек и (или от любых других произвольных точек характеристики ) параллельно оси ординат отложите вверх отрезки , равные в масштабе тепловой нагрузке . Через точки и проведите график суммарной нагрузки . ВЫВОДЫ На пересечении характеристик и (рис. 5) получаем точку , которой соответствует значение (см. уравнение 3а). Следовательно, этой точке соответствует значение равновесной температуры воздуха в охлаждаемом помещении. Значения и запишите в табл. 4. На пересечении характеристик и (рис. 5) получаем точку , которой соответствует значение . Этой точке соответствует значение равновесной температуры кипения рабочего тела. Полученные величины и запишите в табл. 4. Кроме того, значение холодопроизводительности холодильного агрегата сравнить с паспортными данными (рис. 8) при равновесной температуре и температуре наружного воздуха (значение найти по графику методом интерполяции). Определите коэффициент рабочего времени холодильного агрегата в условиях работы при равновесном состоянии: Рис. 6. Построение цикла паровой компрессионной холодильной машины. Рис. 7. Коэффициенты подачи компрессоров, работающих на: 1 – на R 22; 2 – на R 134а. Рис. 8. Паспортные данные зависимости холодопроизводительности агрегата ВН 400 от температуры кипения хладагента и температуры окружающего воздуха. Полученное значение коэффициента рабочего времени сравните с опытным , которое необходимо определять из уравнения: , где: и необходимо принять по табл. 2. Результаты запишите в табл. 4. Необходимо также определить, как изменятся температура кипения и температура в охлаждаемом помещении, если компрессор агрегата будет работать с коэффициентом рабочего времени , т.е. непрерывно. При , . Для нахождения такого положения необходимо построить такой единственно возможный прямоугольник , точки и которого лежали бы на одной прямой, перпендикулярной оси ординат и принадлежали бы характеристикам компрессора и суммарной характеристике теплопритоков соответственно, а одна из диагоналей этого прямоугольника была бы параллельна характеристике испарителя . Эта диагональ и будет новой характеристикой испарителя при для данного агрегата. Точка будет характеризовать новую температуру в охлаждаемом помещении , а соответствующую ей температуру кипения рабочего тела характеризует точка . При этом, холодопроизводительность холодильной машины будет равна . С учетом масштаба определите все указанные значения и занесите в табл. 4. Сделайте вывод о целесообразности работы агрегата при , т.е. при непрерывной его работе. Таблица 4. Результаты лабораторной работы
Приложение 1 Коэффициент теплопроводности некоторых материалов
Приложение 2 Таблица параметров насыщенных паров R134а
Приложение 3 Таблица параметров насыщенных паров R22
|