Лабораторная работа №3 Холодильные машины. Определение параметров работы и кпд холодильника



жүктеу 78.77 Kb.
Дата22.09.2018
өлшемі78.77 Kb.
түріЛабораторная работа

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
Холодильные машины. Определение параметров работы и КПД холодильника.
Цель работы: ознакомиться с принципом работы холодильной машины, криогенными приборами (машина Линде, сосуд Дьюара).

Приборы и принадлежности: линейка (метр), термометр, стенд для демонстрации работы холодильной машины.

3.1. Теоретическое введение
Аппаратура для получения низких температур и работы при этих температурах носит название криогенной техники. Техническое устройство для получения низких температур называется холодильной машиной.

Рассмотрим устройство холодильной машины на примере бытового компрессионного холодильника. Он состоит из замкнутого трубопровода, в который последовательно включены компрессор, радиатор, дроссель и морозильная камера (рис. 1).





Рис. 1.Главные части электрического холодильника.
Действие холодильников механического или газового типа основано на той, что при сжижении газа выделяется теплота, а при превращении жидкости в пар теплота отнимается от соприкасающихся с жидкостью тел и передается более нагретому телу. Этим более нагретым телом является воздух в комнате, который в результате работы холодильника нагревается до еще более высокой температуры.

Используя рисунок 2 рассмотрим последовательность работы холодильной машины (в том числе бытового холодильника).

Рабочим телом к домашнем компрессионном холодильнике служит газ фреон (дифтордихлор-метан CF2C12), который при нормальном атмосферном давлении (100 кПа) кипит при температуре t =30°С, при давлении вдвое большем (200кПа) при t=15 °С, а при давлении 800 кПа — при t=-30°C.



Рис.2. Схема узлов холодильника

(1 — компрессор, 2 — радиатор, 3 — дроссель, 4 — морозильная камера);


Фреоном заполнена система конденсатора и испарителя. Компрессор 1, приводимый в действие электродвигателем, сжимает газообразный фреон приблизительно до 800 кПа. При быстром, почти адиабатическом сжатии газ нагревается. Охлаждение его до комнатной температуры и последующая конденсация производится в радиаторе (конденсаторе) 2, расположенном обычно на задней стенке холодильного шкафа. Охлажденный до комнатной температуры, фреон переходит в жидкое состояние. Из конденсатора образовавшаяся жидкость поступает в дроссель 3— переходит от очень узкого сечения трубопровода в широкое. Происходит адиабатическое расширение приблизительно до 200 кПа. Жидкость при этом испаряется, что приводит к понижению температуры. Далее охлажденный газ через трубку поступает в испаритель (морозильную камеру) 4 и охлаждает находящиеся там объекты. При этом он нагревается. Нагретый фреон вновь поступает в компрессор. Цикл повторяется вновь. Таким образом, одни и тот же газ служит передатчиком теплоты от внутренней камеры холодильника наружу.

Самая низкая температура, которая может быть получена в испарителе (морозильной камере), определяется значением давления паров фреона, так как температура кипения фреона, как и любой другой жидкости, понижайся с понижением давления. При постоянной скорости поступления жидкого фреона из конденсатора в испаритель через капиллярную трубку давление паров фреона в испарителе будет тем ниже, чем дольше работает компрессор. Если нет нужды добиваться понижения температуры в испарителе до предельно достижимого значения, то работа компрессора периодически останавливается путем выключения электромотора, приводящего его в действие. Компрессор выключается автоматом, следящими за поддержанием в холодильном шкафу заданной температуры.

При работе холодильной машины за цикл у холодного тела, находящегося в холодильной камере, рабочим телом (газом) при расширении отнимается количество теплоты Q2.(рис.3) При этом внешние силы совершают механическую работу А. Нагревателю (более горячему телу) за цикл работы холодильной машины передаётся количество теплоты Q 1= Q+ А.

В реальных холодильных установках (холодильниках) нагревателем является окружающая среда. Работа А совершается, как правило, за счёт электрической энергии.




Рис. 3.Энергетическая схема холодильной машины.

Q1 < 0, A < 0, Q2 > 0, T1 > T2.

Работа холодильника не опровергает второй закон термодинамики, а протекает в полном соответствии с ним. Холодильник и воздух комнаты не составляют замкнутой системы. Холодильник необходимо подключить к электрической сети. Электрическая энергия с помощью электродвигателя превращается в механическую энергию, затем механическая энергия в результате работы компрессора холодильника превращается, в конечном счете, в энергию теплового движения молекул деталей холодильника и окружающих его тел. Следовательно, переход тепла от холодного тела к горячему не является единственным результатом работы холодильника, так как этот процесс сопровождается превращением энергии электрического тока в энергию теплового движения
КПД холодильной машины находиться из выражения

.

В случае, если холодильная машина является идеальным обратимым тепловым двигателем, ее КПД рассчитывается по формуле



.

Важнейшей характеристикой холодильной машины является холодильный коэффициент, равный:




Холодильный коэффициент показывает, какое количество теплоты отнимается от охлаждаемого тела при совершении единицы работы.

Другая важная характеристика холодильной машины - хладопроизводительность, показывающая какое количество теплоты способна отнимать машина от тела в единицу времени:




Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла Q2 от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником.

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла Q1 нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом.


Для получения более низких температур, при которых большинство газов сжижается, применяется машина Линде. В ней компрессор 1 сжимает газ (например, атмосферный воздух) и направляет его в узкий трубопровод — змеевик 2 (рис.4), который расположен внутри другого змеевика 3. Кран 4 выпускает газ в наружный змеевик. При этом происходит дросселирование и охлаждение. Охлажденный газ поднимается вверх и противотоком охлаждает газ во внутреннем змеевике. Цикл повторяется многократно. Температура понижается настолько, что при дросселировании газ охлаждается ниже температуры кипения и сжижается. Далее дросселирование производят через второй кран 5 (рис. 3, а) и выпускают сжиженный газ наружу.

Устройством для хранения жидких газов является сосуд Дьюара — сосуд с двойными стенками (стеклянными или металлическими), между которыми выкачан воздух, что предотвращает передачу теплоты за счет конвекции и теплопроводности (рис.5). Кроме того, стенки покрывают блестящим слоем металла для отражения излучения и предотвращения передачи энергии излучением. Сосуды делают размерами от очень малых до цистерн на несколько тонн.

Разновидностью сосуда Дьюара является термос (рис.6) – бытовой теплоизолирующий сосуд для хранения и поддержания температуры жидкости неизменной продолжительное время. Он состоит из стеклянной бутылки с двойными стенками, заключенной в металлическую оболочку. Воздух из пространства между двойными стенками выкачан, а сами стенки посеребрены внутри и снаружи.
3.2. Определение КПД холодильника.
В данном случае будем считать холодильник идеальной обратимой тепловой машиной.
Тогда (1)

Отсюда;



(2)

где - удельная теплоемкость воздуха; - искомая разность конечной и начальной температур воздуха в комнате; m – масса воздуха.

Найдем массу воздуха:

, (3)

где: М - молярная масса воздуха (),

P – нормальное атмосферное давление,

R – постоянная Больцмана,

T – температура воздуха.
Тогда
Определим Q2:

,

где mв = mл - масса воды и льда, полученного из воды; св – удельная теплоемкость воды; cл – удельная теплоемкость льда.



Получим окончательное выражение для :



(5)
На сколько нагревается воздух в комнате.

Объем комнаты V = 30 м3 за время = 4 ч. работы холодильника, если его производительность льда равна при температуре T0 = - 2 0C, а охлаждение начинается с температуры T2 = 200C. Удельная теплоемкость воздуха при постоянном объеме равна сv =. Удельная теплоемкость воды св=, льда сл =. Удельная теплоемкость плавления льда: .

Температура в комнате:

t = T1+ (6)


3.3. Порядок выполнения работы
1. Определить с помощью термометра температуру в комнате.

2. Определить объем комнаты в м3.

3. Рассчитать КПД холодильника по формуле (1).

4. Рассчитать массу воздуха по формуле (3).

5. Рассчитать по формуле (5).

6. Рассчитать значение температуры в комнате по формуле (6).

7. Данные занести в таблицу 3.
Примечание: при расчете необходимо учесть, что производительность холодильника указана в кг/сут., поэтому и время работы надо брать в сутках.

Все значения температур при расчетах выражать в градусах по шкале Кельвина (Т)



Таблица 3

Экспериментальные и расчетные данные

Определяемые величины



V

T2(к)

T1(к)

(к)

t (C0)

Полученные значения


















8. Сделать вывод о влиянии параметров холодильника на его КПД.



3.4. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. Титульный лист, где указывается номер работы, её название, номер группы, фамилия и инициалы студента.

2. Цель работы.

3. Устройство и схема работы холодильной машины.

4. Расчет КПД холодильника.

5. Вывод.

3.5. Контрольные вопросы:
1. Какая техника называется криогенной

2. Поясните устройство и принцип работы холодильной машины

3. Назначение и принципы работы машины Линде?

4. Назначение и принципы работы сосуда Дьюара?

5. Как определяется КПД холодильной машины?

6. Какие энергетические процессы происходят в цикле

работы холодильной машины.

7. Почему работа холодильника не противоречит второму закону термодинамики.







Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет