Модуль4. Электрическое оборудование, системы кондиционирования ПР2

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ХОЛОДИЛЬНЫХ
УСТАНОВОК ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

Цель работы: освоить тепловой расчет параметров теоретического рабочего цикла
холодильных установок пассажирских вагонов.

Краткие теоретические сведения

В пассажирских вагонах холодильные установки применяются для кондиционирования
воздуха. Установки для кондиционирования воздуха в вагоне отличаются многообразием и
конструкционными особенностями, при этом принцип работы и термодинамические
процессы, протекающие в таких машинах весьма схожи. Принцип охлаждения помещений
вагона заключается в отводе тепла от воздуха салона сопрождающейся понижением
температуры. В качестве охлаждающего рабочего тела в вагонных кондиционерах
используют хладагент. Совокупность процессов, которые осуществляет хладагент, называют
холодильным циклом.

Расчет теоретического рабочего цикла холодильной установки заключается в
определении отводимого и подводимого тепла. Холодильный цикл является теоретическим
т.к. не учитывает перегрев пара в испарителе, падения давления в конденсаторе и испарителе
вследствие трения холодильного агента о стенки труб, потери в компрессоре.

Для расчета цикла холодильной установки и определения параметров хладагента в
любой точке рассматриваемого холодильного процесса используется энтальпийная
диаграмма хладагента. Энтальпийная диаграмма позволяет непосредственно определить
количество тепла и работы, участвующих в процессе.

При расчетах холодильных машин используют два варианта энтальпийных диаграмм:

• 1) диаграмма P-i, называемая также диаграммой Молье, в которой энтальпию
  откладывают по оси абсцисс, а давление – по оси ординат, используя обычную
  равномерную шкалу;
• 2) диаграмма lg P-i, у которой ось абсцисс также соответствует энтальпии, а на оси
  ординат откладывается давление в логарифмическом масштабе.

Эти две диаграммы дают одни и те же характеристики, но различаются шкалой по
оси ординат. В лабораторной работе для построения и расчета цикла холодильной
машины и определения параметров хладагента будет рассмотрена диаграмма P-i.

Чтение энтальпийной диаграммы P-i.

Обратимся, к примеру, диаграммы P-i, для фреона-12 используемый в холодильных
установках МАБ-II (рис. 1). На оси абсцисс, где применяется равномерная шкала, дается
удельная энтальпия хладагента в кДж/кг. В приведенной диаграмме начало координат
обозначено 340 кДж/кг, а удельная энтальпия при температуре 0⁰ С составляет 400
кДж/кг. В некоторых диаграммах выбраны другие значения энтальпии в этих точках.
Однако это не отражается на результатах расчетов, так как важна разность энтальпии
двух состояний вещества, а не абсолютное ее значение.

Ось ординат представляет собой шкалу, на которой нанесено значения давления в
МПа. В центре диаграммы находится кривая в виде деформированной подковы, вершина
которой соответствует точке, называемой критической и обозначенной К. Эта линия
разделяет плоскость диаграммы на три области.

В области І хладагент находится в жидком состоянии, в области ІІ – в
парожидкостном (двухфазное состояние), в области III – в состоянии перегого пара.

О о ООО о О OLD О О со

О. О LO о СО о ’t го см г- ^ о о ооо-^оо

СМ т-“ о’ о’ о’ о’ о’ о’ о’ о’ о’ о’ о’ о’ °- о’ °-

ОО

Рис. 1 Энтальпийная диаграмма P-i для хладона-12

В области ІІ имеется 9 кривых, выходящих из критической точки К и отмеченных
слева направо значениями от х=0,1 до х=0,9. Эти кривые (кривые сухости) показывают
процентное содержание пара в смеси. Так точка на кривой х=0,1 означает, что в данном
состоянии хладагент содержит 10 % пара и 90 % жидкости. Кривые х=0 и х=1 являются
пограничными линиями. Линия х=0 – это линия жидкого хладагента, а линия х=1– это
линия пара, а их общая точка является критической точкой.

Обратим внимание на характер кривой постоянных значений температуры. В
области І изотерма вертикальна, в области ІІ– горизонтальна, а в области ІІІ – сначала
криволинейна, а затем стремится стать вертикальной.

На диаграмме изображены также и другие кривые, а именно: линии постоянной
энтальпии (кДж/кг) которые идут в вертикальном направлении, линии постоянной
энтропии (кДж/кг х К), линии постоянного удельного объема или изохоры (м³/кг).

Графическое истолкование работы холодильного цикла.

Рассмотрим теоретический цикл одноступенчатой паровой компрессионной холодильной
машины, с иллюстрацией основных процессов на немасштабной диаграмме P-i (риc.2).

Риc. 2 Теоретический цикл одноступенчатой паровой
компрессионной холодильной машины

Компрессор всасывает из испарителя сухой насыщенный пар с низким давлением P₀
и температурой t₀ – на диаграмме это состояние хладагента соответствует точке 1
теоретического цикла, находящийся на правой пограничной кривой паросодержания.

Далее компрессор производит адиабатическое сжатие пара (процесс 1–2) до
давления в конденсаторе P_к. Горячие пары хладагента по трубопроводу нагнетаются
компрессором в конденсатор, где они при постоянном давлении P_к сначала охлаждаются
от температуры перегрева сжатия до температуры конденсации t_к (процесс 2–а), а затем
конденсируются (а–3) при постоянном давлении Pк и температуре tк в процессе отвода
тепла от хладагента к окружающей среде.

Затем жидкий хладагент с высоким давлением Pк и умеренной температурой tк
поступает в регулирующий вентиль, проходит его и при этом дросселируется
(изоэнтальпический процесс 3–4) с понижением давления от Pк до P0 и температуры от tк
до t0 (точка 4, характеризует парожидкостное состояние хладагента после дросселя).

Если в холодильной машине имеется переохладитель то хладагент сначала
переохлаждается при постоянном давлении Pк и температуре tк (процесс 3′ –3), а уже
затем дросселируется (процесс 3′–4′).

Получаемая парожидкостная смесь направляется в испаритель, где жидкий
хладагент кипит при постоянном низком давлении P0 и температуре t0 (процесс 4–1),
отнимая тепло от охлаждаемого объекта. Образующиеся пары хладагента отсасываются
компрессором, и цикл повторяется снова.

Рассмотренный холодильный цикл является теоретическим т.к. не учитывает
перегрев пара в испарителе, падения давления в конденсаторе и испарителе вследствие
трения холодильного агента о стенки труб, потери в компрессоре. Действительный цикл
учитывает эти факторы, графически это отображается смещением точки 1 в область
перегретого пара.

Построение холодильного цикла.

Заданными величинами для построения и расчёта цикла холодильной установки являются:

• - температура наружного воздуха t_н, ⁰С;
• - вид холодильного агента;
• - температурный режим хранения или перевозки продукта tв, ⁰С;
• - температура кипения холодильного агента в испарителе tо, ⁰С;
• - температура всасывания паров хладагента tвс, ⁰С;
• - температура конденсации хладагента в конденсаторе tк, ⁰С;
• - температура переохлаждения хладагента в конденсаторе tп, ⁰С.

В совокупности t_о, t_к, t_п и t_вс представляют собой температурный режим работы
холодильной установки, который устанавливают для любого случая в зависимости от
назначения холодильной машины и температуры внешней среды.

Эта зависимость для холодильных установок пассажирских вагонов следующая:

• - t_о принимают на 12–18⁰ ниже температурного режима t_в;
• - t_к принимают на 8–12⁰ выше температуры наружного воздуха t_н;
• - t_п принимают на 3–5⁰ ниже температуры конденсации хладагента t_к;

По полученным значениям температур производится построение цикла (см. рис.10)
работы холодильной машины в следующей последовательности:

• 1) по диаграмме P-i, находим давления кипения P0, соответствующее температуре tо,
  значение которой указано на правой пограничной кривой. Это точка 1
  теоретического цикла, ей соответствует энтальпия – i1 (значения энтальпии
  указаны на оси абсцисс) и удельный объем всасывания в компрессор V1 (изохоры
  на диаграмме показаны штриховыми линиями);
• 2) аналогично определяем линию постоянного давления – P_к, в соответствии с
  температурой конденсацией t_к. Изобару – P_к покажем в виде прямой линии
  параллельной оси абсцисс от левой пограничной кривой и далее;
• 3) затем из точки 1 проводим адиабату (постоянная энтропия) до пересечения с
  изобарой P_к. Это будет точка 2 и ее энтальпия i₂;
• 4) точка 3 находится на пересечении изобары P_к слевой пограничной кривой х=0, ей
  соответствует энтальпия i3;
• 5) в области переохлажденной жидкости (слева от кривой х=0) на пересечении
  изобары Pк с изотермой tп (температура переохлаждения жидкого хладагента)

находим точку 3′ и энтальпию i3′

• 6) для нахождения точек 4 и 4′ необходимо провести из точек 3 и 3′ прямые линии по
  изоэнтальпиям до пересечения с изобарой P0. Точки 4′ соответствует энтальпия i4′ .
• 7) прямая 4–1 (или 4 ′ –1) характеризует процесс кипения хладагента в испарители.

Расчёт основных параметров холодильных установок пассажирских вагонов.

После определения численных значений энтальпии, удельного объема, давления в
характерных точках цикла, производится расчет основных параметров холодильной машины.

Холодопроизводительность 1 кг холодильного агента определяют по разности
энтальпий в конечных точках изотермы (или адиабаты):

q 0 — ii i 4,

(1)

где q_Q - удельная холодопроизводительность хладагента, Вт;

• i_{, i₄ - удельная энтальпия в точке 1 и 4 соответственно, кДж/кг.

Если машина работает без переохлаждения, то q₀ — i\ - i₄‘, т.е. меньше на величину
4- 4’ по сравнению с машиной, работающей с переохлаждением.

Тепловой эквивалент работы сжатия в компрессоре определяют по разности
энтальпий в конечных точках адиабаты сжатия:

Ai ^— i2 ^- ii,

(2)

где A - тепловой эквивалент работы сжатия в компрессоре, кДж/кг;

• ii, ii — удельная энтальпия в точке 1 и 2 соответственно, кДж/кг.

Количество теплоты, отданное 1 кг агента в конденсаторе при охлаждении,
конденсации и переохлаждении его:

q — i2 - iз‘, (3)

где q - количество теплоты, отданное 1 кг хладагента, кДж/кг;

• i₃‘ - удельная энтальпия в точке 3, кДж/кг.

Тепловой баланс – согласно закону сохранения энергии количество теплоты,
подведенной к холодильному агенту, в цикличном процессе должно равняться
количеству теплоты отведенной от агента т.е:

^q0 + Ai ^{— q —} i2 ^- iз, ⁽⁴⁾

Холодильный коэффициент цикла:

q0

о •

A_l

(5)

Чем больше холодильный коэффициент, тем меньше работа, затрачиваемая на
получение единицы холода, т.е. экономичность работы холодильной машины.

Масса хладагента, циркулирующего в машине, или количество агента,

всасываемое, компрессором за час:

G = 3,6 Q0.

q₀

где G – масса циркулирующего хладагента, кг;

Q – часовая холодопроизводительность, Вт.

Часовой объем компрессора или объем паров холодильного агента, всасываемых
компрессором в течение одного часа:

Vh — G V

(6)

(7)

где V_h - объем паров агента, всасываемых компрессором, м³/ч;

V — удельный объем хладагента, значение которого находят из энтальпийной
диаграммы, м³/ч.

По рассчитанному теоретическому объему V определяют главные размеры
холодильного компрессора.

Общее количество отведенной от холодильного агента теплоты или общая тепловая
нагрузка конденсатора

Q = G х q.

(8)

Поэтому количеству теплоты определяют поверхность теплопередачи конденсатора.
Теоретическая мощность двигателя, приводящего в действие компрессор

Nt =

G х Al

3,6

(9)

где N_t — теоретическая мощность двигателя компрессора, Вт.

Порядок выполнения работы

• 1. Изучить принцип построения и расчета теоретического холодильного цикла.
• 2. Построить теоретический цикл работы холодильной установки пассажирского вагона.
• 3. Выполнить общий расчет холодильного цикла
• 4. Оформить отчёт о проделанной работе.

Содержание отчета

• 1. По результатам проведенной работы составляется отчет. Отчет должен содержать:
  цель работы; алгоритм построения теоретического холодильного цикла в
  энтальпийной диаграмме Р-i для хладона-12; расчёт параметров холодильного
  цикла.
• 2. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

• 1. Что такое холодильный цикл?
• 2. Поясните алгоритм построения холодильного цикла.
• 3. Дайте определение холодопроизводительности.
• 4. Какими параметрами характеризуется работа холодильной установки?
• 5. Что понимают под холодильным коэффициентом цикла?