Учебное пособие: Определение равновесной температуры воздуха в охлаждаемом помещении (на примере низкотемпературных прилавков и шкафов)

Учебное пособие: Определение равновесной температуры воздуха в охлаждаемом помещении (на примере низкотемпературных прилавков и шкафов)

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 равновесная температура:

                                    (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 Fo, м2_______________________________4,33;

-  ресивер вертикального типа емкостью, м3_________________0,0014;

-  электродвигатель компрессора мощностью, NДВ.К, Вт__________370;

-  электродвигатель вентилятора мощностью NДВ. 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

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

Таблица 2. Параметры работы холодильной установки

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 to при известном значении .

Таблица 3.

Расчет холодопроизводительности компрессора.

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 R22; 2 – на R134а.

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

Приложение 1

Коэффициент теплопроводности некоторых материалов

Приложение 2

Таблица параметров насыщенных паров R134а

Приложение 3

Таблица параметров насыщенных паров R22