Внимание! Для работы с программой «КХТ» необходимо воспользоваться приложением А.

8. Приоткройте шаровой кран (позиция 1 рисунок 10) компрессорной станции на 30°.

9. Установите, используя регулятор 5 (рисунок 10), выходное давление.

10. Проведите замеры: значения показаний всех датчиков занесите в таблицу.

№ п/п	Датчик давления №1	Датчик расхода, л/мин	Температура на входе в вихревую трубу	Температура на выходе горячего потока из вихревой трубы	Температура на выходе холодного потока из вихревой трубы
1
2
…

11. Измените, по требованию преподавателя, давление на входе в вихревую трубку и зазор регулятором 6 (рис. 10). Повторите измерения.

12. Сохраните, по требованию преподавателя, показания с датчиков в указанном месте.

13. Выключите учебное оборудование.

14. Подготовьте отчет.

Лабораторная работа №4. «Определение параметров процесса работы воздушной холодильной установки (детандера)»

Охлаждение тел до температуры ниже температуры окружающей среды осуществляется с помощью холодильных установок, работающих по обратному тепловому циклу (рис. 1).

Рис.1. Изображение обратного цикла в p-v и T-s диаграммах

Обратным называют цикл, для совершения которого затрачивается работа (работа сжатия превышает работу расширения) иза счет подведенной работы теплота передается от холодного источника к горячему. Условимся в дальнейшем при анализе холодильных циклов применять те же обозначения, что и для тепловых двигателей; теплоту, отбираемую от холодного источника, будем обозначать Q₂, теплоту, отдаваемую горячему источнику, Q₁ а работу, подводимую в цикле, L_ц (соответственно на 1 кг рабочего тела q₂. q₁ и l_ц).

Очевидно, что

,                                                       (1)

т.е. горячему источнику в обратном процессе передается теплота, равная сумме теплоты q₂, отбираемой от холодного источника, и теплоты, эквивалентной подводимой в цикле работе .

Подобно теплосиловой установке холодильная установка включает в себя устройство для сжатия рабочего тела (компрессор или насос) и устройство, в котором происходит расширение рабочего тела (рабочие тела холодильных установок называют хладагентами). Расширение рабочего тела может происходить с совершением полезной работы (в поршневой машине или турбомашине) и без совершения ее, т.е. принципиально необратимо (посредством дросселирования).

Машины, применяемые в холодильных установках для охлаждения рабочего тела (хладагента) в процессе его расширения с совершением работы, называют детандерами. Из рассмотрения Т−s диаграммы следует, что при расширении от давления р₁ до давления р₂ наибольшее понижение температуры будет достигнуто в том случае, когда расширение происходит по изоэнтропе. Поэтому детандеры снабжаются теплоизоляцией, с тем, чтобы процесс расширения был по возможности близок к адиабатному.

Детандеры подразделяются на поршневые и турбинные (турбодетандеры). Принципиальная схема поршневого детандера сходна со схемой поршневого двигателя, а схема турбодетандера − со схемой турбины.

Для характеристики эффективности цикла холодильной установки применяется так называемый холодильный коэффициент , определяемый следующим образом:

,                                                            (2)

или с учетом (1)

                                   (2а)

Если воспользоваться понятием о среднеинтегральных температурах подвода и отвода теплоты в цикле, то можно записать:

Здесь  − среднеинтегральная температура подвода теплоты к хладагенту от холодного источника;  − среднеинтегральная температура отвода теплоты от хладагента к горячему источнику:  − изменение энтропии между крайними точками цикла (рис. 2). С учетом этих соотношений уравнение (2а) может быть представлено в виде

                                    (3)

Чем выше значение , тем более эффективен цикл холодильной установки: чем выше , тем меньшую работу  нужно затратить, чтобы отвести от охлаждаемого тела (холодный источник) одно и то же количество теплоты q₂. Подобно термическому КПД, понятие холодильного коэффициента мы будем применять для анализа лишь обратимых холодильных циклов.

Для холодильных циклов, не использующих существенно необратимых процессов, таких как дросселирование, нетрудно найти соотношение, связывающее термический КПД _т, являющийся характеристикой прямого теплового цикла, с холодильным коэффициентом , характеризующим обратный тепловой цикл: заменяя в уравнении (2)  с помощью соотношения , а  − с помощью соотношения  получаем:

                                                         (4)

Одной из основных характеристик теплосиловых установок является мощность установки. Холодильные установки характеризуются холодопроизводителыюстыо − количеством теплоты, отбираемой от охлаждаемого объекта в единицу времени. Обычно холодопроизводительность измеряется в кДж/ч (или в Вт).

Цикл идеальной холодильной установки, в которой осуществляется обратный обратимый цикл Карно. В этом цикле, осуществляемом между горячим источником с температурой T_{гор ист} и холодным источником с температурой T_хол._ист сжатый хладагент (газ или пар), состояние которого на Т−s диаграмме (рис. 3) изображается точкой 1, обратимо расширяется по адиабате 1−2, производя работу (например, перемещая поршень). Температура хладагента в процессе адиабатного расширения понижается от Т₁ до T₂. Адиабатное расширение хладагента производится до тех пор, пока его температура не станет равна величине T₂, которая на бесконечно малую величину dTменьше, чем температура T_хол._ист:

Рис. 3. Цикл Карно

Затем осуществляется изотермическое расширение хладагента (по изотерме T₂ = const) 2−3, в процессе которого к хладагенту подводится от холодного источника теплота

                                                            (5)

По достижении точки 3 осуществляется адиабатное сжатие хладагента от температуры T₂ до температуры Т₁. Температура Т₁ определяется соотношением

Затем осуществляется изотермический (T_l = const) процесс отвода теплоты от хладагента к верхнему источнику теплоты:

                                                            (6)

За счет отвода теплоты удельный объем хладагента уменьшается и хладагент возвращается в исходное состояние 1. Цикл замыкается.

С учетом того, что s₁ = s₂ и s_з = s₄ из уравнений (5) и (6) получаем:

                                          (7)

С учетом соотношений (4) и (7) из (2) получаем для обратного холодильного цикла Карно:

                                                (8)

Нетрудно показать, что обратимый холодильный цикл Карно является наиболее эффективным из всех холодильных циклов, осуществляемых в заданном интервале постоянных температур.

Естественно, что, так же как и в случае теплосиловых циклов, циклы реальных холодильных установок отличаются от цикла Карно. Циклы холодильных установок, осуществляемые по различным схемам, будут рассмотрены ниже.

Холодильные установки по виду хладагентов делятся на две основные группы:

1) газовые (в частности, воздушные) холодильные установки, в которых хладагент − воздух − находится в состоянии, далеком от линии насыщения;

2) паровые холодильные установки, в которых в качестве хладагентов используются пары различных веществ. Паровые холодильные установки подразделяются на парокомпрессионные, пароэжекторные и абсорбционные.

Отдельную группу составляют термоэлектрические холодильные установки, принцип действия которых основан на использовании эффекта Пельтье, а также установки, основанные на термомагнитном эффекте Эттингсхаузена. В холодильных установках этого типа хладагент отсутствует.

Холодильные установки, работающие при температурах ниже 120 К, принято называть криогенными установками. К холодильным установкам относятся и устройства для получения предельно низких температур методом, например, адиабатного размагничивания парамагнитных солей. Рассмотрим цикл воздушной холодильной установки.