Лабораторная работа № 2. Оценка расчетной методики

Цель работы

Познакомиться с расчетными методиками определения температуры охлаждения продуктов и выявить основные факторы, влияющие на характер охлаждения продуктов. Оценить точность расчетной методики путем сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Задание

1. Для заданных продуктов и условий рассчитать температуру охлаждения.

2. Экспериментально проверить полученные результаты расчетов.

3. Рассчитать относительную погрешность точности используемых расчетных методик путем сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Оборудование

1. Стенд холодильный.

2. Секундомер.

Общие сведения

Технология охлаждения и замораживания продуктов предопределяет необходимость количественной оценки длительности процессов холодильной обработки. Под холодильной обработкой понимают процессы, связанные с изменением температуры продукта от начальной температуры перед закладкой до конечной температуры хранения, или от температуры холодильного хранения до температуры дальнейшей технологической обработки и употребления (размораживание). Длительность обработки является одним из важнейших факторов, влияющих на качество и длительность хранения продуктов при их транспортировке, на продовольственных складах, базах, в складских помещениях розничной сети, на предприятиях общественного питания и в бытовых условиях.

Наиболее распространенные условия охлаждения – это условия охлаждения в конвективной среде (воздухе, жидкости) при неизменной ее температуре. Такие условия считаются условиями III рода.

В соответствии законом Ньютона количество теплоты dQ, Дж,переданное от поверхности участника теплообмена конвективной среде (или наоборот), прямо пропорционально площади поверхности теплообмена dF, м²,разности начальных температур поверхности участника теплообмена t_н и окружающей среды t_с (t_н– t_с), ⁰Си продолжительности процесса теплообмена t, с. Таким образом, количество тепла dQ, которым обменивается тело через элемент поверхности dF с окружающей средой за промежуток времени равным dt, можно определить, как:

 

dQ = a (t_н – t_с) dFdt, (l)

 

где a – коэффициент теплоотдачи от поверхности участника теплообмена конвективной среде (или наоборот), Вт/м²×К.

С другой стороны, по закону Фурье количество теплоты dQ,переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температур ,площади поверхности dF, перпендикулярной направлению теплового потока, продолжительности процесса dt:

, (2)

где l – коэффициент теплопроводности, Вт/м×К.

 

Минус перед формулой (2) связан с тем, что тепло движется от более нагретых частей тела к менее нагретым, т.е. температура убывает, и градиент температуры будет отрицательным.

По закону сохранению энергии количество тепла, отданное теплоотводящей среде, равно количеству тепла, подведенному к поверхности в результате теплообмена. Приравнивая (1) и (2), получим:

 

. (3)

 

Выражение (3) является математическим выражением граничного условия III рода.

Используя дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье,

 

(4)

 

где а – коэффициент температуропроводности, решаем его для граничных условий III рода и начальных условий В результате получаем уравнения температурного поля для продукта, имеющего форму бесконечной пластины – выражение (5), форму шара – выражение (6), форму цилиндра – выражение (7):

; (5)

; (6)

(7)

 

где – коэффициенты ряда Фурье (Fo) и корни соответствующих характеристических уравнений; – температура в любой точке продукта на отрезке x, м, за время t, с, размерность ⁰C; – температура теплоотводящей среды, ⁰C; – начальная температура продукта, ⁰C; x – текущая координата точки, м; R – характерный геометрический размер продукта, м; – модифицированная функция Бусселя нулевого порядка первого рода; Fo – число Фурье.

находят по величине числа Bi приложения 1: по табл. П1.1 – для пластины, по табл. П1.2 – для шара. Число корней характеристических уравнений Фурьеи коэффициентов зависит от желаемой точности расчетов, которая, в свою очередь, связана с размерами продукта и длительностью процесса. Чем меньше размер продукта и длительность охлаждения, тем большее число членов ряда следует применять. При Fо > 0,3можно ограничиться одним членом. При Fо < 0,3число членов должно быть не меньше трех. Характерный геометрический размер продукта R принимается: для пластины – половина толщины, так как полная толщина пластины равна 2R; для шара и цилиндра – радиус. Для поверхности продукта значение преобразуется в . Для центра продукта x = 0 м.

Критерий подобия, учитывающий взаимосвязь переноса тепла к поверхности продукта и от его поверхности к теплоотводящей среде, называется числом Био:

 

(8)

 

где – коэффициент теплопроводности продукта, Вт/м×К; R – характерный геометрический размер продукта, м; a – коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к теплоотводящей среде, Вт/м²×К.

Приближенно коэффициент теплоотдачи a продукта в воздухе можно определить по эмпирической формуле:

 

a = 1,16(5,3+3,6× V_в), (9)

 

где V_в – скорость движения воздуха в холодильной камере, м/с. Для условий

лабораторной установки V_в = 0 м/с.

 

Fo – число Фурье, учитывающее нестационарность охлаждения продукта:

(10)

 

где t – длительность охлаждения, с; a – коэффициент температуропроводности, м²/с.

Коэффициент температуропроводности можно определить по уравнению:

 

(11)

где С – удельная теплоемкость продукта, Дж/кг×К; r – плотность продукта, кг/м³.

 

Теплофизические характеристики продуктов животного и растительного происхождения приведены в табл. П1.3 приложения 1.

 

Порядок выполнения работы

1. Замерить характерный геометрический размер продуктов R, м.

2. С помощью температурных датчиков замерить начальную температуру продуктов на заданной глубине ⁰C и температуру воздуха в холодильной камере ⁰C.

3. Поместить продукты в холодильную камеру.

4. Через равные, заданные преподавателем интервалы времени D t, замерять с помощью температурных датчиков текущую температуру продуктов ⁰C.

5. По истечении заданного времени t, с замерить температуру продуктов ⁰C, которая и будет конечной экспериментальной температурой ⁰C.

6.По формулам или (5), или (6), или (7) определить расчетную температуру охлаждения ⁰C.

7. Рассчитать относительную погрешность полученных расчетных и экспериментальных данных e.

8. Значения используемых величин свести в табл. П2.1 и табл. П2.2 приложения 2.

9. Построить график зависимости температуры охлаждения от времени t = f (t), используя данные табл. П2.2 приложения 2.

10. Сделать выводы о причинах, приводящих к погрешностям и различному характеру охлаждения исследуемых продуктов.

11. По указанной ниже форме составить письменный отчет.

Форма отчета

 

1. Название лабораторной работы.

2. Цель работы.

3. Оборудование.

4. Общие сведения.

5. Сводные таблицы исходных данных и полученных результатов.

6. Графики зависимости изменения температуры продукта от времени t = f (t).

7. Выводы по работе.

 

 

Пищевых продуктов

Цель работы

Познакомиться с расчетными методиками определения длительности замораживания пищевых продуктов. Оценить точность методик путем сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Задание

1. Для заданных продуктов и условий рассчитать длительность замораживания по двум расчетным методикам.

2. Экспериментально проверить полученные результаты.

3. Рассчитать относительную погрешность точности используемых расчетных методик путем сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Оборудование

1. Стенд холодильный.

2. Секундомер.

Общие сведения

Замораживанием называется такая технология холодильной обработки, при которой среднеобъемная температура продукта на 10…30 ⁰С ниже его криоскопической, а количество вымороженной влаги составляет не менее 70 %. Процесс замораживания продуктов питания – сложный многофакторный процесс, длительность которого зависит от размеров и формы продукта, особенности его структуры, распределения в нем влаги и т.д. Поэтому с целью упрощения математического описания при расчете длительности замораживания используют различные допущения и математические упрощения, позволяющие оценить длительность процесса с допустимой для технических условий долей вероятности. К таким допущениям относят:

– постоянство температуры замерзания;

– принятие удельной теплоты замораживания равной теплоте льдообразования;

– коэффициент теплопроводности замороженного продукта считают постоянным, а его теплоемкость равной нулю;

– коэффициент поверхностной теплоотдачи продукта и температура теплоотводящей среды принимаются постоянными.

Для замораживания продукта толщиной dx, м, имеющего площадь поверхности F, м², отводится тепло dQ,Дж:

 

dQ=L×r×F×dx,(l)

 

где L – теплота льдообразования,Дж/кг (данную величину можно принять равной L = 335000 Дж/кг); r –плотность продукта, кг/м³.

Количество тепла, отведенное через замороженный слой толщиной x, применительно к стационарным условиям теплообмена через плоскую стенку для граничных условий III рода можно выразить равенством:

 

(2)

 

где t_кр – криоскопическая температура продукта, ⁰C; t_c – температура охлаждающей среды, ⁰C; – коэффициент теплопроводности продукта, Вт/м×К (см. табл. П1.3 приложения 1); a – коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к теплоотводящей среде, Вт/м²×К.

Приравнивая правые части формул (1) и (2), можно получить решение относительно длительности замораживания при двустороннем теплоотводе:

 

(3)

 

После интегрирования уравнения (3) получаем выражение для определения длительности замораживания продукта, форма которого подобна пластине:

 

. (4)

 

Аналогичные решения получены для тел, форма которых подобна цилиндру и шару:

; (5)

 

. (6)

 

Выражения (4)…(6) не учитывают того, что продукты перед замораживанием имеют температуру, отличную от криоскопической. Поэтому для практического использования применяют выражения для пластины, цилиндра и шара, в которых теплота льдообразования L заменена теплотой замораживания q_з, Дж/кг, которая учитывает теплоту охлаждения и домораживания продукта:

 

q_з = C (t_н–t_кр) +LWw+C_м (t_кр–t_ск), (7)

 

где С – теплоемкость продукта до замораживания, Дж/кг×К; t_н – начальная температура продукта, ⁰C; t_кр – криоскопическая температура продукта, ⁰C; L – теплота льдообразования, Дж/кг; W – количество влаги в продуктах, выраженное в долях единицы; w – количество вымороженной воды; С_м –теплоемкость замороженного продукта, Дж/кг×К; t_cк – средняя по толщине температура продукта, ⁰C.

Тогда выражение (4) применительно к двухстороннему замораживанию бесконечной пластины толщиной d = 2 R преобразуется к виду:

 

. (8)

 

To же для цилиндра:

 

. (9)

 

Для шара:

, (10)

 

где l_м – коэффициент теплопроводности замороженного продукта, Вт/м×К; R – характерный размер продукта (для пластины – половина толщины, для цилиндра и шара – радиус), м.

Коэффициент теплопроводности замороженного продукта можно определить по выражению:

l_м = l+ 1. (11)

 

Для практических расчетов длительности замораживания продуктов, имеющих конечные размеры, можно использовать выражение:

 

, (12)

 

где К и Р – коэффициенты, зависящие от формы продукта. Они находятся из табл. П1.8 приложения 1 с учетом отношений основных геометрических параметров продуктов:

, (13)

 

где l и b – длина и ширина продукта соответственно, м.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Замерить характерный геометрический размер продуктов R, м.

2. С помощью температурных датчиков замерить начальную температуру продуктов на заданной глубине ⁰C и температуру воздуха в холодильной камере ⁰C.

3. Поместить продукты в холодильную камеру.

4. Через равные, заданные преподавателем интервалы времени D t замерять с помощью температурных датчиков текущую температуру продуктов t, ⁰C.

5. По истечении заданного времени t, сзамерить температуру продуктов t, ⁰C, которая и будет конечной температурой центра ,⁰С.

6. Определить расчетным путем длительность замораживания продукта в следующей последовательности:

a) рассчитать число Bi по формуле:

(14)

 

где a –коэффициент поверхностной теплоотдачи (a = 6,15 Вт/м²×К); R – характерный размер продукта (для пластины – половина толщины, для цилиндра и шара – радиус), м; l_м – коэффициент теплопроводности замороженного продукта, Вт/м×К (см. формулу (11));

б) рассчитать значение средней конечной температуры t_ск по формуле:

,(15)

 

где t_c – температура охлаждающей среды, ⁰C; t_кц – конечная температура центра продукта, ⁰C;

в) рассчитать количество вымороженной воды:

, (16)

где t_кр – криоскопическая температура, ^0C (см. табл. П1.4 приложения 1); t_л – средняя логарифмическая температура, ⁰C, которую можно определить по выражению:

 

. (17)

 

г) рассчитать удельную теплоемкость замороженного продукта С_м:

С_м = C –1,8 Ww. (18)

 

Количество влаги в продукте принять W= 0,75...0,95 долей единицы.

д) по формуле (7) рассчитать теплоту замораживания продукта q_з;

е) по формулам или (8), или (9), или (10) рассчитать расчетное время охлаждения t _{р 1};

ж) по формулам (12) и (13) рассчитать расчетное время охлаждения t _{р 2}.

6. Рассчитать относительную погрешность полученных расчетных и экспериментальных данных e.

7. Значения используемых величин свести в табл. П2.3 и табл. П2.4 приложения 2.

8. Построить график изменения температуры замораживаемых продуктов в зависимости от времени замораживания t = f (t), используя данные табл. П2.4 приложения 2.

9. Сделать выводы о причинах, приводящих к погрешностям и различному характеру охлаждения исследуемых продуктов.

10. По указанной ниже форме составить письменный отчет.

Форма отчета

1. Название лабораторной работы.

2. Цель работы.

3. Оборудование.

4. Общие сведения.

5. Сводные таблицы исходных данных и полученных результатов.

6. Прилагаемые графики зависимости изменения температуры продукта от времени t = f (t).

7. Выводы по работе.

Цель работы

Познакомиться с принципом работы и термодинамическим циклом холодильной машины, на основе опытных и расчетных параметров произвести построение холодильного цикла.

 

Задание

1. Для заданных температурных режимов охлаждения построить действительный термодинамический цикл холодильной машины.

2. Провести сравнительный анализ теоретического и действительного циклов холодильной машины.

3. Рассчитать режимные параметры холодильной машины.

Оборудование

1. Стенд холодильный.

2. Секундомер.

Общие сведения

 

В современных условиях основные способы холодильного хранения, применяемые на предприятиях пищевой промышленности, торговли и общественного питания, основаны на машинном или искусственном охлаждении. Искусственное охлаждение основано на реализации физического процесса передачи теплоты с более низкого температурного уровня на более высокий, что в соответствии со вторым законом термодинамики требует затраты энергии. Этот процесс может быть осуществлен в результате реализации обратного термодинамического цикла или холодильного цикла. Рабочее тело, участвующее в холодильном цикле и совершающее обратный круговой процесс, называют хладагентом. С экономической и термодинамической точек зрения целесообразно создать циклическое перемещение рабочего тела по замкнутому контуру с многократным его использованием. При этом рабочее тело периодически превращается в жидкость и пар, осуществляя процесс переноса теплоты от охлаждаемого тела (из холодильной камеры) к среде с более высокой температурой (в окружающую среду). Устройство, позволяющее реализовать холодильный цикл, называется холодильной машиной.

Холодильные машины, в которых рабочее тело остается всегда в газообразном виде и не изменяет агрегатного состояния, называются газовыми. Если в качестве рабочего тела используется воздух, то такие машины носят название воздушных холодильных машин.

Холодильные машины, в которых для получения искусственного охлаждения используется кипение жидких хладагентов при низких температурах, получили название парожидкостных или паровых холодильных машин.

На предприятиях пищевой промышленности, торговли и общественного питания наиболее часто используют холодильное оборудование, оснащенное компрессионными холодильными машинами, в которых процесс сжатия паров хладагента осуществляется компрессором. В основу работы компрессионной холодильной машины положено свойство рабочего вещества кипеть при низкой температуре, поглощая тепло из окружающей среды (охлаждаемого объема).

Компрессионная холодильная машина – это совокупность технических устройств, необходимых для осуществления холодильного цикла с целью понижения температуры охлаждаемого объема и поддержания этой температуры в течение заданного времени. На рис. 1 приведена принципиальная схема парожидкостной компрессионной холодильной машины.

 

 

 

Рис.1. Принципиальная схема парожидкостной компрессионной холодильной машины

 

Холодильная машина (см. рис. 1) состоит из основных и вспомогательных частей. К основным элементам относятся: компрессор – это машина, служащая для сжатия паров хладагента; конденсатор – это теплообменный аппарат, в котором сжатые пары хладагента охлаждаются, отдавая тепло в окружающую среду, и конденсируются, то есть переходят в жидкое состояние; испаритель – это теплообменный аппарат, в котором кипит жидкий хладагент при низкой температуре (и низком давлении), переходя в парообразное состояние и поглощая при этом тепло из окружающей среды (из холодильной камеры); регулирующий вентиль – это устройство, служащее для регулирования подачи жидкого хладагента из конденсатора в испаритель путем дросселирования последнего, то есть понижения давления хладагента, а, следовательно, и температуры. Все элементы соединены последо­вательно трубопроводами в замкнутую герметичную сис­тему. Внутренний объем сис­темы заполнен хладагентом. В охлаждаемом объеме установлен испаритель хо­лодильной машины. Под дей­ствием теплопритоков q ₀хла­дагент кипит в испарителе при низком давлении P ₀.Пары хла­дагента поступают в компрессор и сжимаются с давления P ₀до P_к. Для сжатия хладагента затрачивается работа ℓ_сж. В процессе сжа­тия температура хладагента повышается с Т ₀ до Т_к. Сжатый парооб­разный хладагент нагнетается в конденсатор.В нем от хладаген­та отводится теплота, и хладагент из состояния насыщенного пара переходит в жидкое состояние, то есть конденсируется. Жидкий хлад­агент поступает в детандер (поршневая или турбинная машина для охлаждения газа за счет его расширения с совершением внешней работы), где он адиабатически расширяется до давления Р ₀.В процессе расширения температура хладагента пони­жается с Т_K до Т ₀.Хладагент низкого давления с низкой температурой подается в испаритель,где он кипит, отводя теплоту из охлажда­емого объема.Холодильный цикл замкнулся.

В испарителе и конденсаторе хладагент претерпевает фазовые превращения. В этих процессах давление и температура хладагента взаимосвязаны. Низкое давление в испарителе P ₀поддерживается компрессором, который непрерывно отсасывает пары хладагента, сжимает их до давления P_к и подает в конденсатор. В конденсаторе при охлаждении воздухом или водой отводится теплота q и при давлении P_к и температуре Т_к происходит конденсация паров хладагента.

Давление кипения P ₀выбирается таким образом, что­бы температура кипения хла­дагента в испарителе была ниже температуры охлажда­емого объема.Давле­ние конденсации P_к должно быть выбрано таким, чтобы температура конденсации Т_к была выше темпе­ратуры охлаждающей кон­денсатор среды (воды или воздуха).

Первый закон термодинамики устанавливает принцип эквивалентности теплоты и механической энергии: «Часть теплоты, подведенной извне к замкнутой термодинамической системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение внешней механической работы», то есть:

. (1)

 

Здесь L – механическая работа, Н×м; А – термический эквивалент механической работы, в Международной системе единиц СИ 1 Дж теплоты равен 1 Дж работы, тогда А = 1.

Поделив уравнение (1) на массу рабочего тела М кг, получим уравнение первого закона термодинамики для удельных (отнесенных к 1 кг рабочего тела) энергий:

 

ℓ. (2)

В соответствии со вторым законом термодинамики теплота не может сама собой (без затраты работы) переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой. Поэтому, если в изотермическом процессе испарения рабочего тела подводить теплоту q ₀, а в изотермическом процессе конденсации отводить теплоту q, то осуществляется обратный цикл Карно. Подобный цикл, в котором происходит процесс передачи теплоты с низкого температурного уровня на более высокий, реализуется в холодильных машинах и носит название холодильного цикла.

В термодинамической диаграмме Т – s (обратный цикл Карно), представленной на рис. 2, по оси ординат откладывают температуру в градусах Кельвина, а по оси абсцисс – удельную энтропию s в Дж/кг×К.

Энтропия S, являясь мерой интенсивности тепловой энергии, представляет собой функцию состояния термодинамической системы, которая характеризует направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой:

 

. (3)

 

Здесь – теплота термодинамической системы, Дж; – абсолютная температура, К.

Энтропия наравне с давлением, удельным объемом и температурой, являясь функцией состояния рабочего тела, изменяется при изменении всех или некоторых из этих параметров. Чем меньше изменение энтропии в процессе, тем совершеннее процесс.

Поле диаграммы (см. рис. 2) разделено на три области двумя пограничными кривыми, сходящимися в верхней критической точке К, соответствующей критической температуре. При температуре сверх критической перегретый пар (газ) не может быть обращен в жидкость ни при каком увеличении давления.

Левая пограничная кривая x = 0 отделяет область влажного пара (под кривой) от области переохлажденной жидкости (над кривой). Здесь x – степень сухости пара – показывает, какое количество сухого пара содержится в 1 кг влажного пара.

Правая пограничная кривая x = 1 разделяет область влажного пара (под кривой) и область перегретого пара (над кривой). Между двумя пограничными кривыми находится область влажного пара, для которой горизонтальные изотермы совпадают с изобарами. На кривой x = 0 лежат точки, характеризующие состояние жидкости, а на кривой x = 1 – точки, характеризующие состояние сухого насыщенного пара.

Цикл паровой холодильной машины (цикл Карно) представлен двумя линиями постоянной температуры (изотермами Т = const) и двумя линиями постоянной энтропии (s = const) и может быть рассмотрен в виде четырех последовательных процессов.

Процесс 1 – 2 — адиабатическое сжатие паров хладагента. Компрессор, непрерывно отсасывая пары хладагента из испарителя, сжимает их с давления Р ₀до давления Р_к. В процессе сжатия хладагента температура его повышается с Т ₀до Т_к. Для того чтобы сжать хладагент, затрачивается работа ℓ_сж. Далее хладагент поступает в конденсатор.

Процесс 2 – 3 — изотермический процесс конденсации. В конденсаторе при охлаждении воздухом или водой отводится теплота q и при давлении P_к и температуре Т_к происходит конденсация паров хладагента. Врезультате отвода теплоты хладагент из состоя­ния сухого насыщенного пара (точка 2) переходит в состояние насыщенной жидкости (точка 3).

Процесс 3 – 4 — процесс адиабатического расширения жидкого хладагента. Жидкий хладагент поступает в расширительное устройство – детандер, где он адиабатически расширяется до со­стояния, характеризующегося точкой 4.В процессе расширения давление хладагента понижает­ся от Р_к до Р ₀,атемпература понижается от Т_к до Т ₀, при этом хладагент производит работу ℓ_расш.

Процесс 4 – 1 — изотермический процесс кипения. В состоянии 4 хладагент (парожидкостная смесь при низком давлении) поступает в испаритель,где он кипит, отводя теплоту от охлаждаемого объема (холодильной камеры, про­дуктов). В процессе кипения температура хладагента остается по­стоянной и равной Т ₀.Перейдя в состояние, характеризующееся точкой 1,хладагент подается на всасывание компрессора. Цикл замыкается.

 

 

Рис. 2. Обратный цикл Карно в координатах Т – s

Отличительной особенностью термодинамической диаграммы T–s является то, что площадь под процессором равна количе­ству подведенной или отве­денной энергии к хладаген­ту. В соответствии с этим удельная массовая холодопроизводительность q ₀ опре­делится площадью под про­цессом 4 – 1,т.е. площадью . Теплота, отведенная от хладагента в конденсаторе q_к (процесс 2 – 3),или удельная массо­вая тепловая нагрузка на конденсатор, определится площадью . Работа ℓ, необходимая для реализации цикла, рав­на разности между затра­ченной работой на сжатие хладагента в компрессо­ре ℓ_сж и работой расширения ℓ_расш, отводимой с вала детандера.

В диаграмме T – s работа цикла выражается площадью 1 – 2 – 3 – 4.

Эффективность цикла паровой холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом ε, представляющим собой от­ношение удельной массовой холодопроизводительности q ₀к работе цикла ℓ:

 

. (4)

Для цикла Карно удельная массовая холодопроизводительность:

 

. (5)

 

Работу цикла ℓ, соответствующую площади 1 – 2 – 3 – 4,мож­но вычислить по следующей зависимости:

 

. (6)

 

Используя выражение для определения холодильного коэффи­циента ε, запишем:

 

. (7)

 

Одним из наиболее сложных для реализации на практике про­цессов является расширение хладагента в детандере. Работа расши­рения ℓ_расш невелика, а сложность изготовления детандера значительна. В большинстве современных холодильных машин детандер за­меняют более простым устройством – регулирующим вентилем. В отличие от детандера регулирующий вентиль прост по устройству и позволяет регулировать подачу хладагента в испари­тель.Замена детандера нарегулирующий вентиль приводит к тому, что вмес­то расширения хладагента реализуется процесс дроссе­лирования и изображение холодильного цикла изменяется, что и показано на рис. 3. Дросселирование ­– это ограничение поперечного сечения потока, вызывающее понижение давления в результате внутреннего и внешнего трения без потери теплоты или производительности. Удельная массовая холодопроизводительность цикла q ₀при дросселировании уменьшается на Δ q ₀.

В цикле Карно сжатие хладагента осуществляется в области влажного пара, т. е. при наличии капельной жидкости в хладагенте. На практике реализовать такой процесс невозможно, так как попадание жидкого хладагента в цилиндр ком­прессора приводит к гид­равлическому удару и раз­рушению компрессора. Для исключения этого явления процесс сжатия переводят в область перегретого пара. Перегрев пара в охлаждаемом объеме происходит в конце испарителя или во всасывающем трубопроводе, смонтированном в этом пространстве, или в том и другом месте сразу.

 

 

Рис. 3. Цикл паровой холодильной машины с регулирующим вентилем

 

На практике для предотвращения поступления жидкого хладагента в компрессор регулятор расхода настраивают таким образом, чтобы жидкость выкипела полностью до выхода из испарителя. Холодный пар в этом случае продолжает поглощать теплоту и перегревается в конце испарителя. Теплота для перегрева пара отводится из охлаждаемого объема и поэтому производится полезное охлаждение, при этом удельная холодопроизводительность (на единицу массы хладагента) увеличивается на величину, равную количеству поглощаемой теплоты при перегреве. КПД цикла также несколько увеличивается. Однако чрезмерный перегрев всасываемого пара необходимо ограничивать до величины, требуемой для нормальной работы регулятора, так как независимо от повышения КПД чрезмерный перегрев пара неэкономичен.

На рис. 4 приведен цикл паровой холодильной машины с процессом сжатия в области перегретого пара. В этом случае удельная массовая холодопроизводительность цик­ла q ₀ определится площадью под процессом в испарителе (площадь )4. Удельная массовая работа сжатия ℓ будет про­порциональна площади 1' – 2' – 2 – 3 – 4' – 1' (см. рис. 4).

Холодильный коэффициент цикла в этом случае:

 

. (8)

 

 

 

Рис. 4. Цикл паровой холодильной машины с процессом сжатия в области перегретого пара

Описание стенда

 

Стенд выполнен в виде вертикальной стойки, на которой закреплен холодильный агрегат, в качестве холодильной камеры служит холодильный ларь.

Холодильный агрегат, технологическая схема которого показана на рис. 5, представляет собой замкнутую герметичную систему, которая состоит из компрессора, конденсатора, испарителя, фильтра-осушителя, манометра, мановакуумметра, регулирующего вентиля, трубопроводов. Конденсатор ребристо-трубного типа конвективного воздушного охлаждения. Фильтр-осушитель осуществляет очистку хладагента от влаги и механических примесей. Смотровое окно позволяет визуально наблюдать агрегатное состояние и степень чистоты хладагента. Все электрические приборы пусковой и защитной автоматической аппаратуры холодильного агрегата закреплены на лицевой панели вертикальной стойки либо внутри её. Испаритель холодильного агрегата расположен в холодильном ларе. В качестве рабочего тела используется хладагент R134а.

Согласно технологической схеме приняты температуры в следующих характерных точках схемы: t ₁ – температура на выходе из компрессора (на входе в конденсатор); t ₂ – температура на выходе из конденсатора; t ₃ –температура на входе в испаритель; t ₄ – температура в испарителе; t ₅ – температура на выходе из испарителя. Температура воздуха в холодильной камере (холодильн