Метод коэффициентов полезного действия для обратного цикла
Точка 4
Т4=45 0С=318 К
Р4=1,775кПа
n4=(n¢)=0,00153 м3/кг
i4=(i¢)=613,4 кДж/кг
S4=(S¢)=4,718 кДж/кг К
Точка 3
Т3=45 0С=318 К
Р3=1,775 кПа
n3=0,0731 м3/кг
I3=1690 кДж/кг
S5=8,102 кДж/кг К
Точка7
Т7=–10 0С =263 К
Р7=2,9 бар
n7=1,533 м3/кг
I7=352,8 кДж/кг
S7=3,82 кДж/кг К
Точка1
Т1=-10 0С=263 К
Р1=2,9 бар
n1=0, 4233м3/кг
I1=1650,2 кДж/кг
S1=8,7584 кДж/кг К
Точка 5
Х5=(i5-i7)/r=(613,4-352,8)/1297,8=0,2
Т5=–10 0С=263 К
Р5=2,9бар
n5=v1x5+v7(1-x5)= =0,2*0,4233+0,00153(1-0,2)=
=0,086 м3/кг
I5=613,4 кДж/кг
S5=0,2(8,76-3,82)=4,81Дж/кгК
Точка 6
Т6=272,3К
I6=(1650,2-613,4)/0/98+613,4=1671,4кДж/кг
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
s6=8,821кДж/кг К
Точка 2
Т2=409,6К
S2=8,84кДж/кг К
v2=0,113м3/кг
i2=1952,04кДж/кг К
Точка2д
Т2д=429,7К
Р2д=17,75 бар
i2=(1952,04-1671,4)/0,85+ 1671,4=2001,2кДж/кг
v2д=0,1203м3/кг
s2д=8,962кДж/кг К.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Разраб.
Провер.
Тиунова Н.В..
Холодильная машина
Лит.
Листов
КузГТУ ХТ-051
Масса
Масштаб
Технические показатели холодильной машины
Количество теплоты Q2, отводимой в холодильной установке от охлаждаемого тела в единицу времени, называется холодопроизводительностью холодильной установки:
Q2 = q2Gха=1036,8*1=1036,8 Дж/с,
где q2 – удельная холодопроизводительность, Дж/кг; Gха – расход холодильного агента, кг/с.
Теплота, переданная в окружающую (охлаждающую) среду:
Q1 = q1Gха=1338,64*1=1338,64Дж/с,
где q1 – удельная теплота, отданная теплоприемнику, Дж/кг.
Мощность, затраченная на производство холода:
N = l·Gха,
где l – удельная работа, затраченная на сжатие 1 кг рабочего тела.
Мощность действительного цикла
=1*(20001,2-1671,4)/0,96=343,5.
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| Разраб. |
| Провер. |
| Тиунова Н.В.. |
| Холодильная машина |
| Лит. |
| Листов |
| КузГТУ ХТ-051 |
| Масса |
| Масштаб |
Метод коэффициентов полезного действия для обратного цикла
Для характеристики эффективности цикла, при помощи которого осуществляется перенос теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, вводят так называемый холодильный коэффициент цикла:
или 
;
Для обратимого обратного цикла Карно холодильный коэффициент равен
,
где Тх и Тг – температуры охлаждаемого тела и теплоприемника, которым является окружающая (охлаждающая) среда (Тг > Тх).
Холодильный коэффициент действительного цикла
, причем, 
.
где Ne – мощность, затрачиваемая на производство холода в действительном цикле.
Удельная холодопроизводительность
=1650,2-613,4=1036,8кДж.
Холодопроизводительность холодильной установки Q2 определяется по
зависимости Q2 = q2Gха=1036,8*1=1036,8 Дж/с.
Дополнительный подвод тепла из окружающей среды через теплоизоляцию паропровода к холодильному агенту составит
qпп = q2(1 – пп)=1036,8(1-0,98)=20,74.
Холодильный коэффициент теоретического цикла
=1057,5/280,64=3,77;
где 
– удельное количество теплоты, полученное рабочим телом от холодного источника (охлаждаемого объекта) и воспринятое им из окружающей среды через изоляцию
=20,74+1036,8=1057,5;
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
– удельная работа обратимого (теоретического) процесса сжатия в компрессоре
=1952,04-1671,4=280,64;
=1058,1*1=1058,1;
=280,64– мощность, затрачиваемая на холодильную машину в теоретическом цикле.
Работа действительного процесса в результате необратимости процесса сжатия
=2001,2-1671,4=329,8.
Увеличение затрат работы в результате необратимости процесса сжатия в компрессоре рассчитаем по зависимости
=329,8-280,64=49,16
Работа, затраченная на привод компрессора от внешнего поставщика электроэнергии для сжатия хладагента в результате электромеханических потерь в компрессоре и электродвигателе, составит
=329,8/0,96=343,54.
Потери работы на привод компрессора для сжатия хладагента в результате электромеханических потерь в компрессоре и электродвигателе:
=343,54-329,8=13,74.
Таким образом, холодильный коэффициент действительного цикла равен
=3,36*0,98*0,85*0,96=2,7.
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
=2,7/24,25=0,11 и 
=3,36/24,25=0,139,
где 
– холодильный коэффициент для цикла Карно:
=291/(303-291)=24,25;
– температура вырабатываемого холода (температура хладоносителя на выходе из испарителя); 
– температура окружающей среды (температура охлаждающей воды на входе в конденсатор).
Теплота, переданная охлаждающей воде Q1, для теоретического цикла определяется по формуле (41), причем удельная теплота q1 равна
=1952,04-613,4=1338,64.
Расход воды через конденсатор для теоретического цикла
=1338,64/4190*(35-30)=0,064,
– удельная массовая теплоемкость охлаждающей воды при средней температуре; 
и 
– температура охлаждающей воды на входе и выходе конденсатора.
Относительные потери энергии в результате внутренней необратимости холодильного цикла составят:
=0,14-0,13=0,01.
Удельное количество тепла 
и общее количество теплоты 
, переданное охлаждающей воде для действительного цикла холодильной машины, определяют по формулам
=2001,2-613,4=1387,8и
=1*1387,8=1387,8.
Расход воды через конденсатор для действительного цикла
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
=1387,8/4190(35-30)=0,066.
Увеличение расхода охлаждающей воды в результате внутренней необратимости цикла определяется как
=0,066-0,064=0,002.
Уравнение теплового баланса парокомпрессионной холодильной установки (для рабочего тела – холодильного агента)
,
1387,9=1036,8+20,74+280,64+49,16=1387,34
Так как электромеханические потери в компрессоре и электродвигателе 
– это потери теплоты в окружающую среду, то они не учитываются в энергетическом балансе рабочего тела холодильной установки.
Доли энергии в тепловом балансе составляют (%):
от охлаждаемого тела
а = (q2/q1)·100=1036.8/1338,64*100=77,45%;
через изоляцию испарителя и паропровода
b = (qпп/q1)·100=20,74/1338,648*100=1,55;
теоретическая энергия подведенная в компрессоре
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
дополнительная энергия подведенная в компрессоре при реальном процессе сжатия
d = (lкм/q1)·100=49,16/1338,26*100=3,7%.
На основании выполненных расчетов необходимо построить диаграмму распределения потоков теплоты и энергии для парокомпрессионной холодильной машины (рис. 3).
| 77,45 %, теплота, полученная от охлаждаемого тела |
| Теплота, отданная охлаждающей воде, 100 % |
| 1,55%, подвод тепла через изоляцию паропровода |
| 3,7 %, дополнительная энергия, подведенная в компрессоре в результате необратимости процесса сжатия |
| 20.9%, энергия, подведенная в компрессоре при обратимом процессе |
| Рис. 3. Диаграмма потоков энергии парокомпрессионной холодильной установки |
Результаты расчета холодильного цикла.
Таблица 1
| № точки | Параметры состояния | |||||
| Т, К | р, МПа | v, м3/кг | i, кДж/кг | s, кДж/кг К | х | |
| 0,29 | 0,00153 | 352,8 | 3,82 | |||
| 409,6 | 1,775 | 0,113 | 1952,04 | 8,84 | ||
| 272,71 | 0,29 | 0,445 | 1671,4 | 8,84 | ||
| 2д | 429,7 | 1,775 | 0,1203 | 2001,2 | 8,96 | |
| 1,775 | 0,0731 | 8,102 | ||||
| 1,775 | 0,00175 | 613,4 | 4,718 | |||
| 0,29 | 0,086 | 613,4 | 4,81 | 0,2 | ||
| Холодильный коэффициент теоретического цикла t=3,36 | ||||||
| Холодильный коэффициент действительного цикла =2,7 | ||||||
| Холодильный коэффициент цикла Карно к=24,25 | ||||||
| Коэффициент полезного действия холодильной машины д(т)=0,11(0,14) | ||||||
| Холодопроизводительность Q2 = q2Gха Q2=1036,8 | ||||||
| Мощность теоретического и действительного цикла Nтеор(Nе)=280,64(343.5) |
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Разраб.
Провер.
Тиунова Н.В..
Холодильная машина
Лит.
Листов
КузГТУ ХТ-051
Масса
Масштаб
Эксергетический метод для обратного цикла
Работоспособность (максимальная полезная работа, эксергия) системы, состоящей из источника работы и окружающей среды определяется выражением:
lmax = e =(i1 – i0) – T0(s1 – s0). (64)
Здесь индексы 1 и 0 относятся соответственно к начальному (неравновесному) и конечному (равновесному) состояниям этой системы, а Т0 –температура окружающей среды.
Общий вид технического совершенства машины, работающей по обратному циклу, является его КПД:
, (65)
где 
– эксергия вырабатываемого холода или теплоты; 
– полная энергия, затраченная в установке.
При анализе холодильного (обратного) цикла принимается, что давление окружающей среды р0 = 100 кПа, температура окружающей среды t0 = 20 °С (Т0 = 293 К), температура хладоносителя (ХН), отдающего теплоту холодильному агенту (ХА), принимается равной температуре ХН на выходе из испарителя 
, °С ( 
, К).
Для построения диаграммы эксергетического баланса требуется вычислить потери эксергии в отдельных узлах установки. Параметры, необходимые для расчета, определяются из диаграмм или таблиц термодинамических свойств рабочего тела.
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
е1=(1650,2-841,4)-293(8,7584-5,482)= -151,2,
е2=(1952-841,4)-293(8,84-5,482)=126,12,
е4=(613,4-841,4)-293(4,718-5,482)= -4,15,
е5=613,4-841,4-293(4,81-5,482)= -31,104,
е6=1671,4-841,4- 293(8,84-5,482)= -153,9,
е2д=2001,2-841,4-293(8,962-5,482)=140,16.
Изменение эксергии холодильного агента в испарителе
=
= -151,2+31,104= -120,096.
Это изменение эксергии складывается из двух составляющих: часть эксергии 
отводится с хладоносителем, который имеет температуру (это полезный расход эксергии)
=1036,8(1-293/271)= -84,16.
Другая часть эксергии теряется из-за необратимости процесса теплообмена в испарителе
= -120,096+84,2= -35,896,
в данном процессе необратимость увеличивает эксергию системы, так как температура из-за необратимости еще больше становится ниже температуры окружающей среды.
Изменение эксергии потока в паропроводе:
= -153,9+151,2= -2,7.
Работа установки обеспечивается подводом электроэнергии в компрессоре. Удельное количество подводимой эксергии равно
=343,5.
Внутренние и внешние потери эксергии в компрессоре составят
= -62,86.
Изменение эксергии холодильного агента в конденсаторе
=
=-4,15-126,12= -130,3.
Это изменение эксергии происходит по двум причинам: часть эксергии отводится (теряется) с охлаждающей водой, температура которой ниже температуры конденсации и равна температуре на входе в конденсатор :
=133,64(1- 293/303)=44,17;
другая часть теряется из-за необратимости процесса теплообмена
= -130,3-44,17=-174,5.
Потери эксергии из-за необратимости при дросселировании, когда 
:
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
= -31,104+4,15= -26,954.
Эксергетический КПД холодильной установки, %:
= -84,2/343,5*100= -24,5.
Потери эксергии составляют (%):
в компрессоре
= -18,3;
с водой, охлаждающей конденсатор
=44,2/343,5*100=12,87;
от необратимости в конденсаторе
= -203,36/343,5*100= -59,2;
от необратимости при дросселировании
= - 26,954/343,5*100= -7,8;
в испарителе
= -35,896/343,5*100= -10,45;
в паропроводе
= -2,7/343,5*100= -0,79.
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
,
343,5= -35,896-62,86-2,7+44,17-174,5-26,954-84,16
343,5=-342,9
На основании уравнения эксергетического баланса для данной парокомпрессионной установки необходимо построить диаграмму распределения потоков эксергии (рис. 4).
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| 84,16%, эксергия теплоты, подведенная к рабочему телу |
| 2,7%, потери эксергии в паропроводе |
| 62,86%, потери эксергии в компрессоре |
| 343,5%, эксергия, подведенная в компрессоре от внешнего источника |
| Рис. 4. Диаграмма потоков эксергии парокомпрессионной холодильной установки |
| 35,0%, изменение эксергии в испарителе |
| 100 % |
| 44,17%, потери эксергии в конденсаторе с водой |
| 203,3%, потери эксергии в конденсаторе от необратимости |
| 7,8 %, потери эксергии в дросселе |
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Разраб.
Провер.
Тиунова Н.В..
Холодильная машина
Лит.
Листов
КузГТУ ХТ-051
Масса
Масштаб
Заключение
Предметом изучения в курсовом проекте является цикл холодильной установки состоящей из одноступенчатой парокомпрессионной машины с дросселирующим устройством.
В курсовом проекте были рассчитаны основные параметры рабочего тела в характерных точках цикла с учетом возможных потерь в различных процессах, результаты сведены в таблицу 1
Анализ потерь энергии выполняется на основании метода коэффициентов полезного действия. Коэффициеты полезного действия холодильной машины, работающей по действительному циклу и теоретическому, соответственно равны д=0,11, т=0,139. КПД действительного цикла меньше теоретического, т. к. теплота теоретического цикла больше теплоты действительного. Это объясняется тем, что теплота реального цикла теряется в элементах установки.
В методе рассматривались уравнение энергетического баланса, рассчитываются составляющие. Результаты представлены в виде диаграммы.
В эксергетическом методе анализа циклов составлялись баланс потоков эксергии для энерготехнологической установки в целом.
Курсовой проект включает в себя также графическую часть, в которой содержаться диаграммы и схемы, относящиеся к рассматриваемому циклу.
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| Разраб. |
| Провер. |
| Тиунова Н.В. |
| Холодильная машина |
| Лит. |
| Листов |
| КузГТУ ХТ-051 |
| Масса |
| Масштаб |
Список использованной литературы
1. Термодинамические свойства воды и холодильных агентов: Справочные материалы к расчету состояния рабочих веществ в курсовых и дипломных проектах для студентов направлений 550800, 550900 и специальности 170500 всех форм обучения / Сост.: И. В. Дворовенко, П. Т. Петрик, А.Р. Богомолов. — Кемерово: КузГТУ, 2006. — ЗО с.
2 Методические указания к курсовым работам по дисциплине «Инженерная термодинамика и энерготехнология химических производств» / Сост.: И. В. Дворовенко, П. Т. Петрик, А. Р. Богомолов. — Кемерово: КузГТУ, 2000. — I6 с.
3. Мазур Л. С. Техническая термодинамика и теплотехника: Учебник. — М.: ГЭОТАР, 2003. – 352 с.
4. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. —4- е изд., перераб. — М.: Энергоатомиздат. 1983.
5. Бродянский В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973.
6. Соколов В. Н. Машины и аппараты химических производств: Учебник. – Л.: Машиностроение, 1982. 384 с.
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| Разраб. |
| Провер. |
| Тиунова Н.В. |
| Холодильная машина |
| Лит. |
| Листов |
| КузГТУ ХТ-051 |
| Масса |
| Масштаб |
Введение. 1
Задание. 3
Исходные данные. 4
Расчет значений основных параметров состояния в характерных точках цикла 5
Технические показатели холодильной машины.. 7
Метод коэффициентов полезного действия для обратного цикла. 8
Эксергетический метод для обратного цикла. 14
Заключение. 19
Список использованной литературы.. 20
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра процессов, машин и аппаратов химических производств
Курсовой проект
по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника» на тему:
«Холодильный цикл»
Выполнила
студентка гр. ХТ-051
Преподаватель
Тиунова Н.В.
Кемерово 2008 г.