Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Холодильная техника (укр) - файл 1.docx


Лекции - Холодильная техника (укр)
скачать (368.2 kb.)

Доступные файлы (1):

1.docx369kb.29.11.2011 19:46скачать

содержание

1.docx

Холодильна техніка

Застосування холоду в промисловості


Таким чином діапазон необхідних низьких температур відповідно до великої різноманітності хімічних, фізичних, фізико-хімічних процесів дуже широкий. Від температури оточуючого середовища до температури, близької до абсолютного нуля.

  • Помірне охолодження (температура оточуючого середовища до 174° К)

  • Глибоке охолодження (від 174° до 40° К)

  • Кріогенна техніка (від 40° до 0,3° К)

  • Ультранизьких температур (0,3° – 2 *10-5°К)

Термодинамічні основи отримання штучного холоду


Для виробництва штучного холоду теоретично можуть бути використані будь-які речовини, що перебувають у вигляді рідини або пару, але можливості використання робочих речовин обумовлюються їх властивостями. До основних властивостей, що характеризують речовину відносять термодинамічні та теплофізичні, які у свою чергу залежать від стану речовини, що обумовлений конкретними фізичними умовами. Таким чином для того, щоб визначити конкретні фізичні умови при яких ми розглядаємо речовину і тим самим однозначно визначити агрегатний стан вводяться зручні характеристики стану речовини (параметри стану).
^

Властивості та параметри стану речовин


Фізичні величини або властивості, значення яких однозначно визначають стан речовини звуться параметрами стану. Властивості речовини можуть бути інтенсивними та екстенсивними. Інтенсивними є властивості, що не залежать від кількості речовини у системі. Властивості, що залежать від кількості речовини називаються екстенсивними. Питомі, віднесені до одиниці кількості речовини, екстенсивні властивості набувають сенс інтенсивних. Інтенсивні властивості, що обумовлюють стан тіла або групи тіл (термодинамічної системи) називають термодинамічними параметрами стану тіла або системи. Під термодинамічною системою розуміють сукупність матеріальних тіл, що знаходяться в механічній та тепловій взаємодії між собою та оточуючими тілами. Усі інші матеріальні тіла, які знаходяться за межами системи кордонів системи, що розглядається прийнято розглядати оточуючим, або зовнішнім середовищем.

Основними параметрами стану є абсолютна температура, абсолютний тиск і питомий об’єм (густина тіла).

При відсутності зовнішніх дій на систему стан чистої речовини однозначно визначений, якщо відому 2 інтенсивних параметри. Будь-який інший параметр є однозначною функцією двох заданих параметрів.
^



Фізичний стан речовини та діаграми фазових станів



Критичний стан (Кр) – різниця між парою і рідиною зникає (газ).



rкр=hр-hп=0

Різниця між парою і газом – пара дуже легко змінює свій агрегатний стан.
^

Правило фаз Гібса


В певних межах ми можемо змінювати 2 параметра не змінюючи фазового стану.

Якщо ми знаходимося в будь-якому двохфазному динамічному стані ми можемо змінити незалежно лише один параметр.

Якщо ми трьохфазному стані ми не можемо змінювати параметри.

Згідно з законом Гібса для будь-якої

φ+v=k+n

Ступенем вільності або варіантності зветься здатність системи обмінюватися енергією з оточуючим середовищем в деякій, цілком певній, формі. Рід степені вільності 

відповідає формі обміну енергією, або роду взаємодії (тепловому, електричному, механічному тощо). Число степенів вільності дорівнює числу різноманітних форм, в яких система обмінюється енергією з оточуючим середовищем і залежить від фізичної природи системи та умов, у яких вона знаходиться.
^

Термодинамічні параметри стану робочого тіла


U(u) – внутрішня енергія (абсолютна або відносна)

Внутрішня енергія тіла складається з кінетичної та потенційної енергій мікрочастинок, внутрішньо молекулярної енергії, внутрішньоатомної та внутрішньоядерної. Кінетична енергія обумовлена масою частинок та швидкістю поступального, обертального, обертального та коливального рухів, які залежать від температур. Потенційна – силами взаємодії між частками, які залежать від відстані між ними та взаємоположення, які у свою чергу залежать від тиску. Запас внутрішньої енергії залежить лише від стану системи.

Ентропія (S(s) – абсолютна або відносна )

S=QT

s=qt

– відношення кількості теплоти, що є в системі до її абсолютної температури. Ентропія характеризує напрям протікання процесу між поверхнями теплообміну або системою і оточуючим середовищем.
∆S=S2-S1

∆U=U2-U1

Ентальпія – сума внутрішньої та питомої об’ємної потенційної енергії тиску (кількість теплоти, яку має 1 кг речовини при відповідній температурі)

h=u+pv
^

Приведені параметри


РРкр= π - приведений тиск

ТТкр= τ – приведена температура

vvкр= φ – приведений об’єм

Якщо π = τ = φ = 1, то це критична точка.
^

Рівняння стану газів



Рівняння, що пов’язує між собою основні параметри стану називається характеристичним або рівнянням стану даної речовини.

F=P,V,T=0

Р – питомий абсолютний тиск

V – об’єм газу

Візьмемо реальний газ
pV=mRгT

Якщо поділити на m, то



PV=RгT

Рівняння Мінделеєва-Клаперона придатне тільки для ідеальних газів.

Коволюм – об’єм, який займають молекули газу (нестискуємий об’єм).

Голландський вчений Ван дер Ваальс ввів поправку для врахування об’єму коволюму

pv-b=RгT

і ще одну для врахування взаємодії молекул зі стінками

p+∆pv-b=RгT

Якщо врахувати, що кількість молекул, що притягуються і кількість молекул, які відштовхуються то це Δр може враховуватися якимось коефіцієнтом пропорційності

∆p=αρ1ρ2

p+αρ2v-b=RгT

ρ=μv

αμ2v2=av2

p+av2v-b=RгT

μ – молярна маса

ν – питомий об’єм

а, b – константи Ван дер Ваальса (експериментальні величини, для азоту а=105 Па, b=1,1*10-3 м3)

∆p=αρ1ρ2

p+αρ2v-b=RгT

ρ=μv

αμ2v2=av2

p+av2v-b=RгT

Якщо проаналізувати рівняння Ван дер Ваальса, то при досить великому розряджені об’єм прямуватиме до нескінченості.

Рівняння Ван дер Ваальса придатне для технологічних розрахунків газофазних процесів, що відбуваються при температурах Т > 1,5 Ткр, та при р < 5 МПа. Дає непогану загальну якісну характеристику зміни параметрів Р і V для усіх газів, включаючи область тисків та температур, при яких відбувається скраплення газу, але при високих тисках дає лише перше наближення до дійсних значень.

В 1901 Камерлінг-Онес запропонував рівняння

pvRгT=1+Aρ+Bρ2+Cρ3+…

А, В, С – віриальні коефіцієнти, які залежать від природи газу та температури і визначаються експериментально.

Перевага цього рівняння полягає в тому, що воно єдине з відомих рівнянь стану, які мають строго теоретичну основу. Кожен з віриальних коефіцієнтів може бути відповідно інтерпретований з позицій молекулярних взаємодій, так другий віриальний коефіцієнт враховує відміну від стану ідеального газу, обумовленою взаємодією двох молекул, відповідно третій – трьох.

pv=zRгT

z=pvRгT

z – Коефіцієнт стисливості, який залежить від природи газу, його температури та тиску

Якщо z < 1 при заданій температурі, то такий газ стискується у більшій степені, ніж ідеальний, якщо z > 1 – в меншій степені, для ідеального газу z = 1

Крім коефіцієнту стисливості введене ще степінь стисливості (число Амага)

ρA=pvp0v0

Співвідношення між z і числом Амага

z=pvRгT∙T0T0=pvRгT0T0T=ρAT0T

Крім розглянутих залежностей властивості газів зручно описуються приведеним рівнянням стану. Стан речовини, що характеризується однаковими величинами π,φ,τ називають відповідними станами. Це положення являє собою загальну закономірність у зміні стану реальних газів, відому як закон відповідних станів. За законом 

відповідних станів, якщо для яких-небудь речовин значення двох приведених параметрів однакові, то значення третього параметру також мають бути однакові. Законом відповідних станів у широкому розумінні стає рівність у зазначених станах і всіх тих характеристик речовин, які залежать від сил міжмолекулярної взаємодії.

π+3φ23φ-1=8τ
^

Методи отримання низьких температур


У процесах штучного охолодження зниження температур проводиться наступними методами (їх 5):

  1. За допомогою фазових перетворень, які супроводжуються поглинанням теплоти

  2. Адіабатичним розширенням у відповідних умовах стиснутих робочих речовин

  3. Десорбцією газів

  4. Пропусканням току через спай двох металів (ефект Пельтьє)

  5. Адіабатичне розмагнічування деяких солей

Методи 1-4 використовують при отриманні температур помірного холоду, 2 – для отримання температур глибокого холоду, метод 5 – отримання наднизьких температур (нижче 0,5 К).
^

Адіабатичне розширення стиснутих робочих речовин


Може здійснюватися двома способами:

  1. Дроселюванням пари, газу або рідини без виконання зовнішньої роботи

  2. Розширенням стиснутого газу або пари з виконанням зовнішньої роботи в розширительній машині (детандері)

Адіабатичне дроселювання – це необоротне розширення робочої речовини при її проходженні крізь устрій з малим прохідним перерізом. Процес протікає швидко, тому теплообміну з оточуючим середовищем практично не відбувається і ентальпія речовини не змінюється (корисна зовнішня робота не виконується).
d = const

d0 (діаметр отвору) < d (діаметр труби)

Розглянемо переріз 1 і 2, до перерізу 1 і після перерізу 2 ми маємо сталі потоки.



Якщо записати в диференційній формі перший закон термодинаміки, то ми отримаємо

dq=dh+dW22

Зміна теплоти dq дорівнює зміні ентальпія dh і зміні руху

Якщо проінтегрувати це рівняння матимемо:

q=h2-h1+W22-W122

h2≈h1=const

dh≠0

При дроселюванні робочої речовини ентальпія після дроселювання дорівнює ентальпія до дроселювання.

При адіабатичному дроселюванні температура речовини, що дроселюється може змінюватися. Ця зміна температури носить назву ефекту Джоуля-Томсона, або дросель-ефекту

Дросель-ефекти


Штучне охолодження – процес перенесення теплоти від тіла з низькою температурою до тіла з високою температурою, яке здійснюється з витратою зовнішньої роботи (або енергії) у холодильних установках. Холодильна установка – комплекс обладнання, призначена для одержання та підтримання в приміщеннях, тілах, або речовинах температур нижчих за температуру оточуючого середовища.

Холодильна установка складається з однієї, або декількох холодильних машин, а також, необхідного допоміжного обладнання, що забезпечують нормальну роботу цих машин.

Холодильна машина – пристрій для відведення теплоти від тіла, що має більш низьку температуру, ніж оточуюче середовище. Холодильні машини працюють по принципу теплового насосу. Робота холодильної машини характеризується її холодопродуктивністю. Кількість теплоти, що віднімається від тіла, називається холодопродуктивністю. К-сть теплоти, що віднімається одним кілограмом холодильного агенту, зветься питомою продуктивністю холодоагенту.

Холод з холодильної установки передається до споживача у вигляді скрапленого (зрідженого), або стисненого холодильного агенту (безпосереднього охолодження), або вигляді охолодженого холодильного теплоносія (охолодження хладоносієм).

Холодильний агент (хладоагент) – це робоча речовина холодильної машини, яка при кипінні, або процесі розширення, віднімає теплоту від охолоджуваного об’єкту, а потім, після стиснення, передає теплоту охолоджуючому середовищу. Холодильні хладоносії рідкі, або газоподібні речовини, що використовуються в холодильних установках, як проміжне середовище для перенесення теплоти від охолоджуваного тіла до киплячого у випарнику холодильної машини холодильного агенту.

Робота холодильної машини заснована на тому, що робоче тіло (холодильний агент) за рахунок витрати зовнішньої роботи, здійснює зворотній коловий термодинамічний 

процес (холодильний цикл). Холодильним циклом зветься замкнений процес послідовного стиснення та розширення газу або пари, що супроводжується його нагріванням та охолодженням. Холодильним коефіцієнтом зветься відношення холодопродуктивності до витраченої роботи (зовнішньої енергії). Він характеризує ефективність холодильної машини і показує, яка кількість теплоти сприймається холодильним агентом від охолоджуваного середовища на одиницю витраченої роботи.

ε=Q0L=q0qзов

Ступінь термодинамічної досконалості циклу:

ξ=εтεк



ПК – поршневий компресор

ПД – поршневий детандер

К – конденсатор

В – випарник
^

Класифікація холодильних машин помірного охолодження


Залежно від види фізичного процесу внаслідок якого отримують холод холодильні машини поділяються таким чином:

  • Що використовують фазовий перехід робочого тіла з рідкого у газоподібний стан (парокомпресійні, ежекторні, абсорбційні)

  • Що використовують процес розширення повітря з виконанням зовнішньої роботи (повітряні-детандерні)

  • Що використовують процес розширення повітря без виконання зовнішньої роботи (повітряно-вихореві)

  • Що використовують ефект Пельтье (термоелектричні)

Залежно від виду енергії, що використовується розрізняють таким чином:

  • Що використовують механічну енергію (компресійні)

  • Тепловикористовуючі (абсорбційні ежекторні; компресійні, з приводом від турбін)

  • Що використовують безпосередньо електроенергію (термоелектричні)

Залежно від холодопродуктивності

  • Малі (до 12 кВт)

  • Середні (до 120 кВт)

  • Великі (більше 120 кВт)

Залежно від температурного рівня, з якого відбувається відведення теплоти розрізняють:

  • низькотемпературні (менше -30°С),

  • середньотемпературні (від -30 до -10°С),

  • високотемпературні (від -10 до 20°С).

Залежно від схеми та виду термодинамічного циклу: одно-, двоступінчасті, каскадні машини.

Залежно від робочого тіла:

  • повітряні

  • фреонові

  • бромісто-літєєві

  • інші
^

Робочі речовини холодильних машин


Вимоги і властивості



Класифікація робочих речовин


Робочі речовини класифікують по тискам та температурам кипіння за нормальних умов. По тискам робочі речовини умовно поділяють на 3 групи залежно від тиску конденсації при 30°С:

  • високого тиску (від 7 до 2 МПа)

  • середнього тиску (від 2 до 0,3 МПа)

  • низького тиску (менше 0,3 МПа)

По температурам кипіння за нормальних умов речовини також поділяють на 3 групи:

  • низькотемпературні (менше -60°С)

  • Середньотемпературні (-60 до -10°С)

  • Високотемпературні (більше -10°С)

Класифікації по тискам і температурам взаємопов’язані. Низькотемпературні відносять до групи речовин високого тиску.
^

Парокомпресійні холодильні установки


Одноступінчаста парокомпресійні установка з вологим та сухим ходом компресора

Схема:
ПК – поршневий компресор

К – Конденсатор

То – теплообмінник

ДР – дросельний вентиль

В – випарник

С – сепаратор


Процес, зображений в P-h координатах:
Процес, зображений в T-S координатах:


^

Цикли та принципові схеми багатоступінчастих холодильних машин

Причини переходу до багатоступінчастого стискування



πk=РкондРкип<π'k=РкондР'кип

q0'<q0

lком'>lком

εк'<εк

x<x'

Збільшується пароутворення, що погіршує роботу машини.

Степінь підвищення тиску в одній ступені не повинно перевищувати πк<8…9.

Підвищення степені стискування в компресорі призводить до:

  • Погіршення енергетичних та об’ємних коефіцієнтів компресора через зменшення коефіцієнту подачі та підвищення масогабаритних показників, що збільшує капітальні та експлуатаційні витрати на отримання холоду.

  • Зростання температури нагнітання може викликати недопустимі температурні деформації, погіршення умов змазки та пригорання масла у нагнітальних клапанах компресора. Може утворитись вкрай небезпечний випадок самозаймання масла
^

Вибір проміжного тиску


В циклах багатоступінчастих холодильних машин проміжний тиск впливає на їх економічність. Існує декілька способів вибору проміжного тиску:

  • з умови максимального теоретичного або дійсного холодильного коефіцієнту

  • з умови мінімальної сумарної роботи компресора


Pm≈Pконд∙Pкип

l=fPm

dldPm=0
Роботу компресора можна знайти як різниця ентальпій до стискування і після стискування.

ls=kk-1PусVус∙PначPусk-1k-1=kk-1RгTусzус∙PначPусk-1k-1

К – показний адіабати робочої рідини

Рус – тиск усмоктування

Робоча речовина, яку ми розглядаємо – ідеальний газ.

Ми вважаємо, що температура всмоктування на першій і другій ступені однакова.

ls=kk-1RгTус∙PmPкипk-1k+PкондPmk-1k-2

Якщо продиференціювати це рівняння і прирівняти його до 0, отримаємо

Pкип1-kk∙Pm-1k=Pкондk-1k∙Pm1-2kk

Використовуючи правило пропорції ми отримаємо

Pкип1-kk∙Pкондk-1k=Pm2(k-1k)

Скорочуємо ступінь 1-КК і отримаємо

Pкип∙Pконд=Pm2

Pm≈Pконд∙Pкип

PкондPm=PmPкип<8

  • з умови заданого відношення питомих об’ємних продуктивностей в компресорі

Степінь підвищення тиску в першому компресорі повинно приблизно дорівнювати степені підвищення тиску в другому компресорі і повинно бути менше 8.

Якщо все вірно зроблено, то всі три способи дадуть приблизно однакове значення проміжного тиску.
^

Двоступінчасті холодильні машини


Відомо декілька різновидів двоступінчастих холодильних машин:

  • з одноразовим дроселюванням (зі змійовиковою проміжною посудиною) з повним і неповним проміжним охолодженням

  • з двократним дроселюванням з повним і неповним проміжним охолодженням

  • з двома випарниками

Якщо при проміжному тиску пара охолоджується до стану насичення – це повне проміжне охолодження.
^

Трьохступінчаста холодильна машина для виробництва твердого діоксиду вуглецю



Цикли та схеми каскадних холодильних машин

Принцип побудови та роботи каскадної холодильної машини


Каскадна холодильна машина складається із двох або трьох ступенів (гілок) у яких використовуються різні робочі речовини. Найбільш розповсюдженою є холодильна машина, що складається з двох одноступінчастих машин, які носять назву нижньої та верхньої гілки каскаду. В кожній з гілок можливо використання двоступеневого стискування. У нижній гілці каскаду використовується робоча речовина високого тиску (низькотемпературна), а у верхній – середнього тиску. Головною умовою при виборі робочих речовин є співвідношення температур конденсації в нижній гілці 

каскаду та кипіння у верхній. Температура конденсації нижньої гілці повинна бути більша за температуру конденсації верхньої гілки.


Скачать файл (368.2 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации