МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
"Ивановский государственный политехнический университет"
Кафедра технологических машин и оборудования
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ХОЛОДИЛЬНИКОВ АБСОРБЦИОННОГО ТИПА
Методические указания к лабораторному практикуму
для студентов направлений подготовки 151000 Технологические машины и оборудование и 100100 Сервис
дневной и заочной форм обучения
Иваново 2016
В методических указаниях представлено описание конструкций и устройства абсорбционных бытовых холодильных приборов. Приведены методы определения основных параметров бытовых абсорбционных холодильников. Даны схемы и описание экспериментального оборудования.
Представленный материал позволяет студентам изучить вопросы, связанные с устройством современных бытовых холодильных приборов, анализом их технического состояния, основами расчета, определения и выбора рациональных параметров.
Данные методические указания рекомендованы к использованию при изучении студентами дисциплины «Бытовые машины и приборы».
Составители: д-р техн. наук, проф.
канд. техн. наук, доц.
канд. техн. наук, доц.
Рецензент канд. техн. наук, доц.
 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ХОЛОДИЛЬНИКОВ АБСОРБЦИОННОГО ТИПА
Цель работы: изучение устройства и принципа действия холодильников абсорбционного типа, а также определение их основных параметров.
Оборудование и приборы
· Стенд СХ-1.
· Абсорбционный холодильник «Кристалл-9» АШД-200П.
Теоретические сведения
Назначение и общее устройство бытовых абсорбционных холодильников
Бытовые холодильники абсорбционного типа служат главным образом для хранения скоропортящихся продуктов в охлажденном состоянии.
В отличие от компрессионных холодильников холодильный цикл в системе абсорбционного аппарата осуществляется не одним рабочим веществом, а рабочей смесью веществ (холодильный агент – аммиак и поглотитель (абсорбент) – вода).
Циркуляция раствора и хладагента происходит в холодильном аппарате, где всасывание вместо компрессора выполняется абсорбентом, а нагнетание – термонасосом.
Это способствует бесшумной работе абсорбционных холодильников. Холодильный аппарат устанавливается на задней стенке шкафа, а испаритель – в верхней части холодильной камеры, образуя морозильное отделение.
Устройство холодильного шкафа абсорбционного холодильника принципиально не отличается от устройства холодильников компрессионного типа.
Принцип работы абсорбционной холодильной машины поясняется схемой на рис. 1.
Рис. 1. Принцип работы абсорбционной холодильной машины:
1 – кипятильник; 2 – дефлегматор; 3 – конденсатор; 4 – испаритель;
5 – абсорбер
Конструкция холодильного аппарата
Холодильный аппарат абсорбционно-диффузионного типа представляет собой сварную герметичную конструкцию, выполненную из стальных труб и заполненную водоаммиачным раствором и водородом при давлении 1,5...2,0 МПа.
Холодильный аппарат абсорбционно-диффузионного типа состоит из следующих основных узлов: генератора, конденсатора, испарителя и абсорбера, замкнутых в герметичную систему (рис. 2).
Генератор представляет собой кипятильник, предназначенный для выпаривания аммиака из водоаммиачного раствора. Вместе с термосифоном и паровой трубкой он заключается в металлический кожух, наполненный теплоизоляцией, которая предохраняет генератор от дополнительных потерь тепла. Там же находится жидкостный теплообменник и ректификатор.
Рис. 2. Схема абсорбционно-диффузионного холодильного аппарата: 1 – генератор-кипятильник; 2 – ректификатор; 3 – конденсатор; 4 – испаритель; 5 – газовый теплообменник; 6 – бачок абсорбера; 7 – абсорбер; 8 – жидкостный теплообменник; 9 – термосифон; 10 – бачок для водорода; 11 – электронагреватель
В генераторе тепло подводится (в виде электрической энергии или теплоты сгорания природного газа) к кипятильнику и тепловому насосу-термосифону, который дает возможность преодолеть небольшой гидростатический напор между кипятильником и абсорбентом.
Вследствие интенсивного нагрева части трубки термосифона крепкий раствор в ней закипает, пузырьки пара устремляются вверх, увлекая за собой раствор, одновременно увеличивая скорость циркуляции его в аппарате. В основном вся тепловая подводимая энергия в генераторе затрачивается на кипятильник и очень незначительно – на нагнетание крепкого раствора из абсорбера в кипятильник. Поскольку удельный вес крепкого раствора, поступающего из абсорбера в кипятильник, меньше удельного веса слабого раствора, поступающего самотеком в абсорбер, то циркуляция раствора в аппарате частично происходит и без участия термонасоса.
Конденсатор – это теплообменный аппарат, предназначенный для отвода тепла в окружающую среду от аммиака при его конденсации. Состоит из ребристой трубы, ребра которой увеличивают поверхность теплообмена. Температура конденсатора должна быть на 10..15°С выше температуры воздуха помещения.
Испаритель – это теплообменный аппарат, в котором происходит испарение хладагента за счет отвода тепла от воздуха холодильной камеры при охлаждении. Выполняется в виде спиральной трубы с ребрами для высокой интенсивности теплопередачи. Между ветвями трубы испарителя устанавливаются ванночки для образования льда. В современных бытовых холодильниках абсорбционного типа испарители изготавливают в основном коробчатого типа.
Количество тепла, поглощенное из холодильной камеры, определяет холодопроизводительность аппарата. В современных холодильниках она составляет 84...146 кДж/ч.
Абсорбер – основной аппарат установки, в которой осуществляется абсорбция. Предназначается для поглощения жидким поглотителем – абсорбентом – паров холодильного агента, образующихся в испарителе. Выполняется в виде спиральной трубы (змеевика), оканчивающейся цилиндрическим бачком со специальным зарядным штуцером с ввинченной запорной иглой, через который аппарат заряжается водоаммиачным раствором. В некоторых холодильниках после зарядки аппарата зарядный штуцер удаляется, а конец трубки заваривается. Температура абсорбера должна быть на 10...150С выше температуры окружающего воздуха.
Рабочий раствор – это водоаммиачный раствор, в котором аммиак – хладагент, а вода – абсорбент (поглотитель паров аммиака из испарителя). Аммиак – бесцветный газ с острым запахом, токсичен. Обладает хорошей объемной холодопроизводительностью (2165 кДж/м3 против 127,5 кДж/м3 хладона R12), массовая холодопроизводительность – 1100 кДж/кг против 118,6 кДж/кг хладона R12 при температуре конденсации +300С и испарения -150С. Предельно допустимая концентрация аммиака в рабочих помещениях 0,02 г/м3. При содержании его в воздухе в количестве 11...15 % смесь горит желтоватым пламенем, а 16...27 % – взрывоопасна. К черным металлам (чугун, сталь) аммиак нейтрален, но коррозирует медь, цинк, бронзу, которые нельзя применять в конструкции аппаратов.
Утечка аммиака обнаруживается по запаху. Аммиак почти не растворяется в масле, зато хорошо взаимодействует с водой. Вдыхание аммиака в больших концентрациях вызывает сильное раздражение глаз и дыхательных путей, возможны тяжелые отравления.
Количество водоаммиачного раствора для заполнения холодильного аппарата составляет 750..310 см3, концентрация аммиака от веса заряда водоаммиачного раствора – 34...37 %. Для предохранения внутренней поверхности труб аппарата от коррозии при проникновении в систему влаги в раствор вводится 16 г хромата натрия, что составляет около 2 % от веса заряда. Для нагрева генераторов применяются электрические и газовые нагреватели.
Электрический нагреватель – представляет собой нихромовую спираль (диаметром 0,16...0,31 мм, предельная температура эксплуатации 1000…12000С) с нанизанными на нее фарфоровыми изоляторами. Вставляется она в металлический алюминиевый полый цилиндр (гильзу), длина которой 230 мм, диаметр 22 мм. Для предохранения от окисления спирали гильза с одной стороны закрывается наглухо, а концы спирали, изолированные фарфоровыми изоляторами, выводятся для подсоединения к электрической цепи наружу. Чтобы предотвратить перемещение спирали внутри цилиндра, все свободное внутреннее пространство между поверхностью цилиндра и изоляторами заполняется сыпучим изолятором (кварцевым песком). Такой электронагревательный патрон вставляется в жаровую трубку холодильника.
Электрические нагреватели в зависимости от модели холодильника выпускаются одно - , двух - и трехсекционными и соответственно с двумя, тремя и четырьмя выводными концами. Количество тепла, подводимое к генератору, регулируется полным отключением нагревателя или секции большой мощности. Холодопроизводительность регулируется переключением секции (секций) вручную (тумблером-переключателем) или автоматически (терморегулятором). Двух - и трехсекционные нагреватели экономичнее на 10...15 %, чем односекционные, так как максимальная энергетическая эффективность аппарата соответствует средней мощности нагревателя.
Газовые нагреватели значительно экономичнее электрических. Несмотря на это, газовые нагреватели широкого применения в холодильниках не получили, так как в случае неисправности автоматики возможность аварии не исключается.
Для автоматического регулирования и поддерживания установленной температуры в холодильной камере абсорбционных холодильников используются терморегуляторы АРТ-2А. Они имеют постоянную температурную настройку. Продолжительность работы нагревателя определяется величиной свободного хода упорного винта механизма разрыва контактов «включение – отключение» и тяги (дифференциалом). При повороте винта по часовой стрелке уменьшается дифференциал и продолжительность отключения, т. е. нагреватель включается при более низкой температуре в холодильной камере. При повороте против часовой стрелки увеличиваются дифференциал и продолжительность отключения нагревателя от сети, т. е. нагреватель включается при более высокой температуре в холодильной камере.
Принцип работы абсорбционного холодильного аппарата
Принцип работы абсорбционно-диффузионного бытового холодильника рассмотрим в соответствии со схемой на рис. 2.
Концентрированный, крепкий водоаммиачный раствор находится в бачке абсорбера, который соединяется с термосифоном внутренней трубкой жидкостного теплообменника. Электрический нагреватель (или газовая горелка), расположенный в нижней части генератора, передает тепло термосифону. При температуре 1000С крепкий водоаммиачный раствор интенсивно кипит, и образовавшиеся пары аммиака вместе с незначительным количеством водяных паров направляются по пароотводящей трубке в ректификатор, имеющий ряд перегородок – пластин. Там водяные пары, охлаждаясь наружным воздухом, конденсируются и каплями стекают в генератор, частично насыщаясь парами аммиака. Пары аммиака поступают в ребристый конденсатор, охлаждаемый также наружным воздухом, и конденсируются при давлении примерно 1,5 МПа и температуре 35…400С. Ребристая поверхность труб конденсатора способствует процессу охлаждения аммиака в нем. Жидкий аммиак вследствие увеличения проходного сечения в трубке дросселируется до давления 0,2…0,3 МПа с понижением температуры агента и попадает в верхнюю часть испарителя, расположенного в холодильной камере холодильника. В испарителе жидкий холодильный агент – аммиак – вследствие разности температур поглощает тепло из воздуха камеры холодильника и закипает, выделяя пары.
В результате этого температура в холодильной камере понижается. Одновременно в испаритель поступает слабонасыщенная парогазовая смесь (водород с малым содержанием аммиака) под давлением 1,2…1,3 МПа.
В процессе кипения аммиак диффундирует в эту парогазовую смесь, обогащая ее аммиаком (т. е. происходит распространение аммиака и водорода через нагруженную трубку газового теплообменника), поступает в бачок, а затем в змеевик абсорбера. Навстречу богатой аммиаком парогазовой смеси в змеевик абсорбера из генератора через внешнюю трубку жидкостного теплообменника идет слабый водоаммиачный раствор. При охлаждении абсорбера окружающим воздухом происходит поглощение водой – абсорбция – аммиака из парогазовой смеси и насыщение слабого водоаммиачного раствора. Обедненная смесь паров аммиака и водорода из змеевика абсорбера, охлаждаясь, при прохождении через внутреннюю трубку газового теплообменника, вновь поступает в испаритель, а насыщенный водоаммиачный раствор стекает вниз в бачок абсорбера и по внутренней трубке жидкостного теплообменника поступает в термосифон, где вследствие подогрева частично превращается в пар, а оставшийся раствор попадает в генератор. Подогретый раствор по наружной трубке жидкостного теплообменника снова попадает в абсорбер.
Холодильный цикл в холодильном аппарате происходит только при постоянном подогреве генератора. Циркуляция раствора между генератором и абсорбером, а также между конденсатором и испарителем осуществляется вследствие разности уровней, а циркуляция водорода и его смеси между испарителем и абсорбером – в результате разности удельного веса.
В жидкостном теплообменнике крепкий водоаммиачный раствор подогревается за счет тепла слабого водоаммиачного раствора, нагретого в генераторе и идущего по наружной трубке теплообменника в змеевик абсорбера. В газовом теплообменнике змеевик переохлаждается перед дросселированием и одновременно идущая в испаритель бедная аммиачно-водородная смесь охлаждается богатой (насыщенной) парогазовой смесью, выходящей из него по наружной трубке теплообменника.
Для обеспечения нормальной работы при повышенной температуре окружающего воздуха в аппарате имеется водородный бачок, соединенный с конденсатором трубкой и абсорбером. По трубкам пары аммиака перемещаются из конденсатора в водный бачок и вытесняют водород (давление 1,5…2,0 МПа), повышая общее давление в холодильном аппарате до величины, соответствующей температуре конденсации паров аммиака.
Основные параметры абсорбционных холодильников
Основными показателями качественной работы бытовых холодильников абсорбционного типа являются:
· температура воздуха в холодильной камере;
· потребляемая мощность;
· расход электроэнергии и другие показатели.
Температура воздуха в холодильной камере зависит от холодопроизводительности аппарата и внешних условий эксплуатации. Температура в камере холодильника регулируется автоматически терморегулятором, а в газовом холодильнике – вручную регулятором хода газа; в неавтоматических холодильниках – переключателем мощности электронагревателя. При этом установившийся температурный режим работы аппарата и температура в камере не изменяются во времени при постоянных внешних факторах: напряжении сети (расход газа), температуре окружающей среды и др.
Температура в холодильной камере должна быть: при температуре окружающего воздуха +16°С не ниже 0°С, а при +32°С – не выше +9°С. В низкотемпературном отделении, предназначенном для хранения продуктов в замороженном состоянии, в абсорбционных холодильниках типа «Север», «Иней» и других температура варьируется в пределах -6...-12°С, в холодильниках типа «Кристалл-9» – около -18°С.
Абсорбционные холодильники имеют одно-, двух - и трехступенчатое переключение мощности. Потребляемая мощность секционных электронагревателей, затрачиваемая для аппарата, составляет энергетические затраты на создание холодопроизводительности и соответствует средней мощности электродвигателей холодильников.
Расход электроэнергии – это основная эксплуатационная характеристика работы холодильников:
E = Nпотр × t, (1)
где E – расход электроэнергии, кВт×ч;
Nпотр – потребляемая мощность холодильника, кВт;
t – время работы, ч.
Максимальный суточный расход электроэнергии при температуре окружающего воздуха 32°С и средней температуре в холодильной камере 5°С должен быть не выше значений, указанных в табл. 1.
Таблица 1. Максимальный суточный расход электроэнергии
Общий внутренний объем, дм3 | 50 | 80 | 100 | 120 | 140 | 160 | 180 | 200 |
Расход электроэнергии абсорбционных холодильников в сутки, кВт×ч | 2,2 | 2,4 | 2,65 | 2,9 | 3,15 | 3,55 | 3,9 | 4,1 |
Бытовые холодильники с цикличным режимом работы и постоянной одноступенчатой мощностью электродвигателя обладают наиболее экономичным режимом расхода электроэнергии, благодаря большой аккумуляционной способности абсорбционного аппарата, что не осуществляется в неавтоматических холодильниках.
Удельный расход электроэнергии также относится к основным параметрам качества абсорбционных холодильников.
Удельный расход электроэнергии определяется по формуле, кВт×ч/дм3:
, (2)
где Vобщ – общая емкость холодильника (определяется по паспортным данным холодильника),.
Объем работы
· Ознакомление с назначением, устройством и принципом работы холодильника абсорбционного типа.
· Ознакомление с основными параметрами абсорбционных холодильников.
· Определение температурной характеристики.
· Определение потребляемой мощности.
· Определение общего и удельного расхода электроэнергии.
Порядок проведения работы
1. Подготовить переносной стенд проверки бытовых холодильников СХ-1 к работе.
2. Уложить термосопротивление в шкаф исследуемого холодильника (1-е в НТО, 2-е в середину камеры охлаждения, 3-е на нижнюю полку).
3. Включить вилку исследуемого холодильника в штепсельную розетку на панели стенда.
4. Установить терморегулятор исследуемого холодильника в положение «1».
5. Произвести замер потребляемой мощности и силы тока.
6. Определить температуру в трех точках холодильного шкафа.
7. Определить расход электроэнергии по величине потребляемой мощности.
8. Определить удельный расход электроэнергии.
9. Установить терморегулятор в положение «Норм».
10. Осуществить выход холодильника на установившийся режим
(15 мин.).
11. Произвести замеры и вычисления по пп. 5-8.
12. Установить терморегулятор холодильника в положение «Хол.».
13. Осуществить выход холодильника на установившийся режим.
14. Произвести замеры и вычисления пп. 5-8.
15. Стенд отключить от сети, переключатели поставить в исходное положение, термосопротивления убрать из холодильного шкафа, уложить шнур и соединительные провода, закрыть крышкой.
16. Результаты измерений и математической обработки занести в табл. 2 и 3.
Таблица 2. Энергетические показатели холодильника
№ п/п | Наименование замеров и операций | Температурный режим | ||
«Тепл.» | «Норм.» | «Хол.» | ||
1 | Потребляемая мощность | |||
2 | Потребляемый ток | |||
3 | Расход электроэнергии | |||
4 | Общая емкость холодильника | |||
5 | Удельный расход электроэнергии | |||
6 | Температура в помещении |
Таблица 3. Температурные показатели холодильника
Температурный режим | Температура в холодильном шкафу, °С | |||||||
Температура в морозильном отделении | Температура в камере охлаждения | |||||||
в средней точке | в нижней точке | |||||||
tвкл. | tвыкл | tср | tвкл. | tвыкл | tср | tвкл. | tвыкл | tср |
Контрольные вопросы
1) В чем заключается принцип работы холодильного аппарата?
2) Назовите характеристики абсорбционных холодильников.
3) Какую функцию выполняет водород, находящийся в холодильном аппарате?
4) За счет чего происходит циркуляция в системе холодильного
аппарата?
Библиографический список
1. Бабакин, холодильники и морозильники / , .– М.: Колос, 2000.– 656 с.
2. Лепаев, холодильников / , .– М.: Солон-Р, 2000. – 432 с.
3. Лепаев, приборы бытового назначения / .– М.: Легпромбытиздат, 1991. – 272 с.
4. Бондарь, бытовые электроприборы и машины / , . – М.: Машиностроение, 1987. – 224 с.
5. Вейнберг, компрессионные холодильники / , . –М.: Пищевая промышленность, 1974.– 289 с.
6. Петров, машины и приборы / , . – М.: Легкая индустрия, 1973.– 307 с.
7. Кошкин, машины / – М.: Пищевая промышленность, 1997.– 512 с.
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ХОЛОДИЛЬНИКОВ АБСОРБЦИОННОГО ТИПА
Методические указания
к лабораторному практикуму
для студентов направлений подготовки 151000 Технологические машины и оборудование и 100100 Сервис
дневной и заочной форм обучения
Составители: Юрий Григорьевич Фомин
Татьяна Павловна Туцкая
Андрей Борисович Некрашевич
Рецензент
Редактор
Подписано в печать 16.02.2016.
Формат 1/16 60х84. Плоская печать.
Усл. печ. л. 0,93. Уч.- изд. л. 0,89. Тираж 30 экз. Заказ № 000.
ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический
университет»
Издательский центр ДИВТ
153000 г. Иваново, Шереметевский просп., 21
