Книга: Определение равновесной температуры воздуха в охлаждаемом помещении на примере низкотемпературны

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 прилавка

Прилавок 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 400

Агрегат 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 F_o , м² _______________________________4,33;

- ресивер вертикального типа емкостью, м³ _________________0,0014;

- электродвигатель компрессора мощностью, N_ДВ.К , Вт__________370;

- электродвигатель вентилятора мощностью N_{ДВ. В} , Вт___________30.

Потенциометр КСП-4

Потенциометр 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

№ пп слоев	Наименование	Вид материала	Толщина		Коэф. теплопроводности
			Условное обозначение	Численное значение, м	Условное обозначение	Численное значение, Вт/(мК)
1	2	3	4	5	6	7
1	Внутренняя обшивка	Алюминий		0.001
2	Тепловая изоляция	Пенополиуретан		0.086
3	Слой пароизоляции	Битум		0.001
4	Наружная обшивка	Сталь		0.0011

А=2м, В=0.8 м, С=0.87 м, Д=0.42м, Е=0.58 м

Таблица 2. Параметры работы холодильной установки

Наименование измеряемой величины	Условное обозначение	Размерность	Численное значение
Температура наружного воздуха			20
Температура воздуха в камере прилавка:
а) по показанию потенциометра КСП-4 или манометрического термометра			-10
Температура охлаждающей поверхности воздухоохладителя:
а) поверхности ребра			-15
б) поверхности стенки трубы			-17
Давление конденсации хладагента:
а) избыточное по манометру			9
б) абсолютное
Давление кипения хладагента:
а) избыточное по манометру			2.7
б) абсолютное
Вид холодильного агента	-	-	R22
Продолжение Табл. 1.
Температура конденсации в соответствии с давлением конденсации,
То же (расчетная)
Температура кипения в соответствии с давлением кипения,
То же по (расчетная)
То же по (расчетная)
Время первоначального включения компрессора холодильного агрегата			10.45
Время отключения компрессора холодильного агрегата			11.15
Время повторного включения компрессора холодильного агрегата			11.30
Продолжительность работы агрегата			30
Продолжительность цикла			45

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.

,

,

, (таб.2)

, (таб.2)

,

,

Энтальпия,

Удельный объем пара, ,

Отношение

Коэффициент подачи,

Удельная массовая холодопроизводитель-ность

Расчетное значение, ,

Паспортные данные , (Рис. 8)

+∆=

–∆=

+∆=

–∆=

+∆=

–∆=

+∆=

–∆=

+∆=

–∆=

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

Наименование величин	Условное обозначение	Размерность	Численное значение
Равновесная температура воздуха в охлаждаемом помещении (по рис. 5.)
То же (из табл.2)
То же (из табл.2)
То же (из табл.2)
Холодопроизводительность холодильной машины при установившейся равновесной температуре кипения и температуре конденсации (по рис.5)
Тоже по рис. 8 при и
Суммарный теплоприток в охлаждаемое помещение прилавка при температуре в нем (из рис.5)
Коэффициент рабочего времени (по результатам рис.5)		–
То же фактическое значение (по результатам опытных данных)		–
Показатели работы оборудования :
- температура воздуха в охлаждаемом помещении
- температура кипения хладагента
- сумма теплопритоков, холодопроизводительность холодильной машины и испарителя

Приложение 1

Коэффициент теплопроводности некоторых материалов

Приложение 2

Таблица параметров насыщенных паров R134а

Приложение 3

Таблица параметров насыщенных паров R22