Необратимые потери обратных циклов

Понятие об обра­тимости процессов и циклов имеет фундаментальное значение в термодинамической теории холодильных машин. Процесс на­зывают обратимым, если после его завершения тела, принимав­шие в нем участие, можно вернуть в первоначальное состояние без каких-либо затрат работы или каких-либо других измене­ний. Принципиальным является разделение необратимости на внутреннюю и внешнюю. Такое разделение позволяет правиль­но установить источники необратимых потерь в циклах и дает возможность искать пути их устранения. Источниками внутрен­ней необратимости в обратных циклах являются: внутреннее трение частиц рабочего вещества, трение в элементах машины, дросселирование, диффузия, смешение потоков рабочего веще­ства, химические реакции, неравновесные фазовые превраще­ния. Внешняя необратимость определяется наличием конечной разности температур в процессе теплообмена рабочего вещества с источниками низкой и высокой температур или с окружающей средой.

Возможны различные сочетания внутренне и внешне обрати­мых и необратимых процессов. Их можно классифицировать следующим образом:процессы вполне обратимые как внутренне, так и внешне; процессы внешне обратимые, но внутренне необратимые; процессы внешне необратимые, но внутренне обратимые; процессы необратимые как внешне, так и внутренне. Все без исключения процессы, происходящие в реальных хо­лодильных машинах, относятся к четвертой группе.

В термодинамике существуют равнозначные понятия: обра­тимый обратный цикл, цикл-образец, цикл с минимальной ра­ботой, т. е. цикл, при помощи которого с минимальными затра­тами работы можно перенести теплоту от охлаждаемого объекта к окружающей среде. Наличие необратимых потерь в обратном цик­ле ведет к увеличению затраченной работы, которая в этом слу­чае определяется по формуле

(3.1)

где L_min - работа, затраченная холодильной машиной, рабочее вещество которой совершает обратимый цикл; ΔL - дополни­тельная работа, затраченная на компенсацию необратимых потерь.

Очень важным является правильное построение цикла-образца, которое должно осуществляться исходя из следующих положений:

- процессы сжатия и расширения идут обратимо;

- теплообмен рабочего вещества с внешними источниками про­исходит при бесконечно малой разности температур;

- холодопроизводительность обратимого цикла равна холодо-производительности рассматриваемого цикла.

Степень термодинамического совершенства любого реального цикла в целом может быть оценена коэффициентом обратимости

(3.2)

Описание процессов в изучаемой холодильной установке

В данной лабораторной работе необходимо определить примерное значение нагрузки на холодильное оборудование и компрессор холодильного шкафа ШХ – 0.7 и морозильного ларя СНЕЖ МЛК 350. Поскольку эти устройства содержат одну камеру, разница между расчетными нагрузками на охлаждающие приборы и на компрессор будет отсутствовать и количество теплоты, отводимое рабочим телом из камеры, будет определять холодопроизводительность компрессора и тепловой поток к конденсатору. Для ее определения необходимо провести расчет теплопритоков.

Теплота от окружающей среды проникает внутрь охлаждаемого помещения в результате действия двух процессов:

1) теплопередачи через ограждения вследствие наличия разности температур (t_H - t_ПМ) наружной окружающей среды и воздуха внутри помещения (аппарата);

2) поглощения наружной поверхностью ограждений теплоты солнечной радиации.

Поэтому можно записать:

Q₁ = Q_1Т + Q_{1С (3.3)}

Теплоприток, возникающий под влиянием разности температур определяется по выражению

Q_1Т = k₁F₁(t_H - t_ПМ) (3.4)

где k₁ - коэффициент теплопередачи ограждения (его численное значение определить по данным л.р. 1);

F₁ - площадь поверхности ограждения.

t_H – расчетная температура наружного воздуха (для Воронежа принять 33 ⁰С)

Теплоприток от солнечной радиации рассчитывается по следующему выражению

Q_1С = k₁F₁Δt_С (3.5)

Δt_С – избыточная разность температур, характеризующая действие солнечной радиации в летнее время. Для плоских светлых поверхностей Δt_С = 14.9 ⁰С.

Способы определения теплопритоков от грузов различны и в конкретной ситуации могут быть упрощены.

Так, если за время  от помещенного в тару груза отведено количество тепла Q, то

Q₂ = Q/. (3.6)

Количество отведенного тепла определяется следующим образом:

Q= (С_т m_т +С_гm_г)t, (3.7)

где t – изменение температуры груза, С_т, m_т, С_г ,m_г - теплоемкости и массы груза и тары_-

Из возможных эксплуатационных теплопритоков, в нашем случае существуют только 2: из смежных помещений через открытые двери и от работающих электродвигателей.

Q₄ = Q₄^I + Q₄^II (3.8)

Соответственно, теплоприток от открывания дверей определяется по формуле:

Q₄^I = β∙q_дп∙F_дп∙(1-η)∙10³, (3.9)

где q_дп – плотность теплового потока, отнесенного к площади дверного проема при отсутствии средств тепловой защиты, кВт/м²; F_дп - площадь дверного про­ема, м²; β - коэффициент, учитывающий длительность и частоту проведения грузовых операций, β = 1; η - коэффициент эффективности снижения теплопритоков при использовании средств тепловоздушной защиты дверного про­ема, η = 0.

Значения плотности теплового потока q_дп для охлаждаемых помещений, определяют по графику.

Рис. 3.1. Плотность теплового потока в дверном проеме: 1, 2, 3 - камеры хранения с естественной циркуляцией воз­духа F_пм > 450м², 120 < F_пм < 450 м², F_пм < 120 м²; 4 - прочие охлаждаемые помеще­ния с естественной циркуляци­ей воздуха; 5 - камеры холо­дильной обработки мяса с при­нудительной циркуляцией воздуха; 6 - прочие охлаждае­мые помещения с принуди­тельной циркуляцией воздуха

Теплоприток от работающих электродвигателей составляет:

Q₄^II =1000 N_э (3.10)

N_э – мощность двигателя, кВт.

Тогда суммарный теплоприток (расчетная нагрузка) составит:

Q₀ = Q₁+ Q₂+ Q₄ (3.11)

Полученное значение вместе с выбранным температурным режимом являются исходными данными для теплового расчета холодильной машины. В процессе расчета определяются:

- описываемый объем, по которому выбирается один или несколько компрессоров;

- эффективную мощность на валу компрессора для проверки пригодности электродвигателя, поставляемого в комплекте с герметичным компрессором;

- тепловой поток в конденсаторе для его расчета и подбора.

Одноступенчатый компрессор возможно применять в достаточно широком диапазоне рабочих условий. Ограничивают возможность его применения температура нагнетания, которая не должна быть больше 160 ⁰С и разность давлений p_к – p₀, которая не должна превышать 17 атм. В противном случае необходимо использовать двухступенчатое сжатие.

При выполнении теплового расчета определяются следующие величины:

- холодопроизводительность q₀ 1 кг хладагента

(3.12)

- массовый расход пара (массовая подача компрессора)

(3.13)

- объемный расход пара (объемная подача)

(3.14)

– удельный объем всасываемого пара.

- По рис. 3.2 находится коэффициент подачи компрессора λ в зависимости от степени сжатия, хладагента и типа компрессора

- описываемый объем компрессора, по которому в дальнейшем подбирается компрессор

(3.15)

- теоретическая (адиабатная) мощность компрессора

(3.16)

- действительная (индикаторная) мощность компрессора

(3.17)

– индикаторный КПД.

Рис. 3.2. Коэффициенты подачи компрессоров: 1 - современных бескрейцкопфных: 2 - винтовых бустер-компрессоров: 3 - винто­вых: 4 - работающих на хладоне-22; 5 - ротационных; 6 - малых, работающих на хладоне-12

Для крупных бескрейцкопфных компрессоров индикаторный КПД равен 0.79÷0.84, для малых и средних компрессоров, работающих на хладонах, 0.65÷0.8.

- эффективная мощность на валу компрессора

(3.18)

– механический КПД, учитывающий потери на трение.

Для крупных бескрейцкопфных компрессоров механический КПД равен 0.82÷0.92, для малых и средних компрессоров, работающих на хладонах, 0.84÷0.97.

По эффективной мощности подбирается электродвигатель компрессора с запасом мощности 10÷15 %.

- тепловой поток в конденсаторе:

а) действительный, с учетом потерь в процессе сжатия

(3.19)

б) теоретический

(3.20)

- Площадь теплопередающей поверхности конденсатора:

(3.21)

k – коэффициент теплопередачи конденсатора (для конденсаторов воздушного охлаждения 30 Вт/(м²К)), – средняя разность температур между хладагентом и окружающей средой.