Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 14
1.1 Основные типы регулировочных устройств 14
1.1.1 Капиллярная трубка - как регулирующее устройство 17
1.1.2 Особенности работы капиллярной трубки 18
1.2 Особенности работы холодильных машин, использующих в качестве регулирующего устройства капиллярную трубку 22
1.2.1 Условия работы подобных холодильных машин 22
1.2.2 Преимущества 24
1.2.3 Недостатки 25
1.3 Характеристики капиллярных трубок 26
1.3.1 Параметры, влияющие на величину расхода хладагента через капиллярную трубку 26
1.3.2 Зависимость расхода хладагента от диаметра капиллярной трубки 27
1.3.3 Зависимость расхода хладагента от длины капиллярной трубки 27
1.3.4 Зависимость расхода хладагента от величины разности давлений на входе и выходе из капиллярной трубки 1.3.5 Зависимость расхода хладагента от состояния хладагента, по
ступающего в капиллярную трубку 31
1.4 Существующие методики подбора и расчета капиллярных трубок... 31
1.4.1 Метод пошагового интегрирования 31
1.4.2 Метод приближенного расчета 35
1.5 Особенности применения капиллярных трубок для режима тепло вого насоса 36
1.6 Цели и задачи исследования 39
2. Математическая модель процесса дросселирования хладагента R22 в капиллярной трубке 40
2.1 Эффект Джоуля-Томсона 40
2.1.1 Дросселирование 40
2.1.2 Общее уравнение дифференциального джоуль - томсоновского эффекта 46
2.1.3 Физическая сущность джоуль - томсоновского эффекта 47
2.1.4 Изоэнтропийное расширение газа 50
2.2 Дросселирование хладагента R22 в капиллярной трубке 52
2.2.1 Уравнения, используемые для описания однонаправленного потока в капиллярной трубке круглого сечения 52
2.2.2 Отрезок 0-1. Вход трубки 60
2.2.3 Отрезок 1-2. Часть трубки, содержащая только жидкость 60 2.2.4 Отрезок 2-3. Участок, содержащий смесь насыщенной жидко
сти и пара 61
2.3 Математическая модель течения хладагента в капиллярной трубке.. 6
CLASS 3. Объект исследований. Экспериментальная установка и методика про CLASS 71
3.1 Объект исследований и экспериментальная установка 71
3.2 Методика вычисления холодо и теплопроизводительности 77
3.3 Практические предпосылки для разработки методики испытаний... g2
3.4 Методика проведения испытаний 97
3.5 Оценка точности измерений 103
3.6 Выводы по главе
4. Результаты экспериментальных исследований 113
4.1 Испытания макетного образца с ручным вентилем в качестве регулирующего устройства 113
4.2 Основная и дополнительная капиллярные трубки одинакового внутреннего диаметра
4.3. Основная и дополнительная капиллярные трубки разного внутреннего диаметра 127
4.4. Возможность использования только одной капиллярной трубки 144 4.5 Выводы по главе 167
5. Практические рекомендации по работе : 169
5.1 Графический способ оценки геометрических параметров трубки 169
5.2 К вопросу о сравнении способов расчета длины капиллярной трубки 176
5.3 Выводы по главе 182
Заключение и выводы 183
Список использованной литературы 185
- Условия работы подобных холодильных машин
- Общее уравнение дифференциального джоуль - томсоновского эффекта
- Методика вычисления холодо и теплопроизводительности
- Основная и дополнительная капиллярные трубки разного внутреннего диаметра
Условия работы подобных холодильных машин
Капиллярная трубка - это самый простой регулятор расхода хладагента. Капиллярной трубкой называют трубы длиной 600 - 6000 мм с внутренним диаметром от 0,63 до 2,29 мм. Почти все авторы, работавшие с капиллярной трубкой, отмечали, что термин «капиллярная трубка» является неточным, так как проходное сечение слишком велико для осуществления явлений капиллярности. Чтобы правильнее охарактеризовать работу капиллярной трубки, более подойдет английское слово "Restrictor", что в переводе означает «Ограничитель». Действительно, по своему характеру, капиллярная трубка - это не регулирующее устройство, она только сдерживает поток холодильного агента, в связи с чем, перед трубкой создается определенное давление. Но несмотря на это, термин «капиллярная трубка» уже устоялся в холодильной технике, поэтому и в данной работе упомянутое устройство будет фигурировать под тем же названием.
Капиллярную трубку небольшого диаметра и определенной длины монтируют обычно вместо жидкостного трубопровода между конденсатором и испарителем. Она ограничивает или регулирует поток жидкого хладагента из конденсатора в испаритель и поддерживает заданную рабочую разность давлений между этими двумя аппаратами вследствие высокого сопротивления из-за трения. В трубке возникает дроссельный эффект, при котором снижается давление жидкого хладагента и образуется пар. 1.1.2 Особенности работы капиллярной трубки.
При любых определенных длине и диаметре сопротивление трубки является постоянной величиной. Поэтому расход жидкости через трубку пропорционален разности давлений в ней, причем указанная разность - это разность между давлениями конденсации и кипения в системе [11].
Капиллярная трубка и компрессор соединены в системе последовательно, следовательно, чтобы система работала эффективно и сбалансированно при расчетных рабочих условиях расход хладагента через трубку определенной длины и диаметра при расчетных давлениях кипения и конденсации должен точно соответствовать объемной производительности компрессора при этих условиях.
Компрессор и капиллярная трубка не могут полностью определять давление всасывания, так как необходимо, чтобы условия теплопередачи в испарителе были также соблюдены. Если точка равновесия капиллярной трубки и компрессора не удовлетворяет условиям теплопередачи, в испарителе возникает состояние неуравновешенности, влекущее за собой переполнение или недостаточное питание испарителя холодильным агентом [30].
Если сопротивление трубки таково, что расход хладагента больше или меньше производительности компрессора при расчетных условиях, то между ними устанавливается баланс при других рабочих условиях. Например, сопротивление трубки слишком большое (трубка слишком длинная или диаметр слишком маленький), следовательно, расход жидкого хладагента через трубку из конденсатора в испаритель будет меньше объемной производительности компрессора при расчетных условиях. В данном случае в испаритель поступает недостаточное количество хладагента, а избыточное количество жидкого хладагента накапливается в нижней части конденсатора около входа в капиллярную трубку. Естественно, что из-за недостаточного питания испарителя понижается давление всасывания, а следствием накапливания жидкости в конденсаторе является уменьшение эффективной поверхности аппарата, а значит, и повышение температуры конденсации. Таким образом, в результате ограничения расхода хладагента через капиллярную трубку давление всасывания понижается, а давление конденсации повышается. При обоих этих условиях увеличивается расход хладагента через трубку и одновременно уменьшается производительность компрессора. Поэтому в системе установится равновесие, когда производительность трубки и производительность компрессора станут одинаковыми. В данном случае баланс наступит при более низком давлении всасывания и более высоком давлении конденсации по сравнению с расчетными давлениями в системе. Производительность компрессора при этом понижается и поэтому общая производительность системы становится меньше расчетной величины.
Однако если сопротивление в трубке недостаточное (трубка слишком короткая или диаметр слишком большой), то расход хладагента через трубку превышает объемную производительность компрессора, в результате чего происходит избыточное питание испарителя хладагентом с вероятностью выброса жидкости в компрессор
Общее уравнение дифференциального джоуль - томсоновского эффекта
Из уравнения (2.13) видно, что эффект Джоуля - Томсона обуславливается: 1) работой, связанной с разностью степени сжатия среды до и после расширения (P2V2 - PiVi), и 2) работой против внутренних сил притяжения отдельных а а молекул газа. По Ван-дер-Ваальсу они определяются как тг- г- При любом Vl V2 увеличении объема газа расстояние между молекулами увеличивается и молекулами совершается работа.
Существование сил межмолекулярного притяжения определяет выделение добавочного (по сравнению со сжатием идеального газа) количества тепла при сжатии газа. Естественно, что при расширении газа существование этих притяжений, когда нет теплообмена с окружающей средой, вызывает охлаждение. Работа против внутренних сил проявляется всегда вне зависимости от того, каким способом производится расширение, так как эта работа против сил притяжения молекул определяется только расстоянием между молекулами, т.е. объемами газа до и после расширения. постоянного теплосодержания на диаграмме PV-P. аи находят как разность экспериментально определенной величины а{ и вычисленной арт. Основной величиной в общем эффекте af является аи, которая всегда положительна (вызывает охлаждение газа). Величина же арт в зависимости от условий и природы газа может иметь положительное или отрицательное значение. В зависимости от этого at будет либо больше аи, либо меньше. В большинстве случаев а имеет отрицательное значение и, следовательно, щ аи. Однако во всех случаях абсолютное значение а мало и обычно не превышает 10-15 % значения аи.
Изоэнтрогшйное расширение газа, иногда называемое адиабатным, является процессом обратимого расширения с отводом работы на сторону при отсутствии теплообмена с окружающей средой.
Расширение газа, близкое к изоэнтропийному, осуществляется в поршневых детандерах и турбодетандерах. Из общих положений термодинамики можно найти дифференциальный эффект изменения температуры при изоэнтропиином расширении:
Из этих уравнений вытекает, что по мере возрастания давления Р и падения температуры величина о уменьшается и приближается к значению at. В области критической температуры, когда теплоемкость Ср резко возрастает, дросселирование может быть таким же высокоэффективным в смысле охлаждения, как и обратимый процесс изоэнтропийного расширения.
Таким образом, при расширении в области, где рабочее вещество близко к критической точке (или когда производится расширение жидкости), или между сравнительно высокими давлениями процесс дросселирования становится высокоэффективным, примерно равноценным изоэнтропийному расширению, и в то же время осуществляется очень просто (дроссельный вентиль). Однако когда перепад давления при расширении велик или расширение начинается при сравнительно высоких температурах, изоэнтропийное расширение всегда предпочтительнее.
Процесс протекания жидкости через капиллярную трубку представлен на рисунке 2.1. В простейшем случае считается, что на вход капиллярной трубки поступает переохлажденная жидкость и в результате потерь на входе и трения о стенки имеет место падение давления, представленное отрезком А - В. Энтальпия и скорость на участке, где течет жидкость, остаются постоянными. В точке В, соответствующей давлению насыщения, начинают появляться первые пузырьки пара. Линия Фанно, берущая начало от жидкостной линии, представляет собой процесс кипения. По мере падения давления количество пара увеличивается. Поскольку по мере образования пара быстро изменяется удельный объем, то и скорость в трубке также быстро возрастает. Однако скорость смеси в трубке может возрастать только до тех пор, пока на выходе из трубки не будет достигнута критическая скорость (звуковая).
Методика вычисления холодо и теплопроизводительности
Теперь проделаем аналогичные расчеты и эксперименты для трубок с внутренним диаметром 1,7 мм. Данные по расчету методом 1 приведены в таблице 3.3.
Общая длина капиллярной трубки (за исключением участка 6-7) составит 1068 мм. Как и в предыдущем случае, мы не достигли требуемого падения давления.
Длина трубки, рассчитанная по варианту 2, для диаметра 1,7 мм составила 1888 мм. Опять же бросается в глаза разница длин трубок полученных по разным методикам расчета, но в этом случае она уже меньше.
Как и в первом случае, по этим расчетам были изготовлены трубки, которые поочередно устанавливались в макетный образец. С макетным образцом были проведены такие же сравнительные испытания. Данные по испытаниям приведены в таблице 3.4 и на рисунке 3.3.
Как и в первом случае, очевиден факт повышенного сопротивления капилляра, рассчитанного по методу 2, впрочем и метод 1 дал не очень хороший результат. В обоих случаях сразу бросается в глаза повышенные температуры на компрессоре и высокий перегрев по сравнению с «эталоном».
И третий момент, который хотелось бы отметить. При проведении испытаний макетного образца с ручным вентилем, регистрировалась температура поверхности трубки в том месте, где выходит хладагент после дросселирования. Этот параметр важен тем, что подбирать длину трубки, обеспечивающую дросселирование хладагента непосредственно до давления кипения, не всегда требуется. Если в ходе определения «эталонных» параметров оказалось, что дросселирование требуется осуществлять до температуры (или соответствующего ему давления) пусть даже и выше, чем температура (давление) кипения, то и расчет длины трубки следует производить именно до этой температуры (давления).
Применительно к нашим экспериментам это можно продемонстрировать на примере трубки с внутренним диаметром 1,7 мм. Так для нее из полученной длины необходимо вычесть длины отрезков 5-6 и 4-5. В результате мы получим трубку длиной 1033 мм. Эта трубка была также проверена экспериментально и результаты экспериментов приведены в таблице 3.5 и на рисунке 3.4.
В основу методики проведения испытаний положен международный стандарт ISO 5151 [29], в котором рассматриваются методы испытаний, температурные условия, способы измерения и расчета холодо и теплопроизводительно-сти, расхода воздуха для кондиционеров без воздушного канала. Данный документ является основополагающим как для специальных аккредитованных испытательных лабораторий, так и для производителей кондиционеров.
С другой стороны, методика основывается на практических предпосылках, рассмотренных в п. 3.3, а также имеющейся научно-технической информации, касающейся холодильной техники и капиллярной трубки в частности. Суть методики состоит в совокупности расчетной и экспериментальной части, целью которых является проектирование капиллярной трубки для бытовых сплит-систем с заданными техническими характеристиками. Последовательность работ следующая:
Основная и дополнительная капиллярные трубки разного внутреннего диаметра
Толщина стенки 8 « 0.001 (м), коэффициент теплопроводности меди Я = 389.6 (Вт/м/С). Основываясь на практическом опыте, допустим, что коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха а&« 40 (BT/MV C), а коэффициент теплоотдачи со стороны хладагента «а« 500 (Вт/м С). Температура воздуха известна и равна tB - + 27 С, а температура крайней поверхности со стороны воздуха измеряется термопарой, допустим ta = + 10 С.
Подставив значения в формулу получим К = 37.03 (Вт/м2/ С). Теперь составим систему уравнений Из второго уравнения этой системы можно посчитать величину теплового потока, она составит q = 680 (Вт/м2/). Теперь из первого уравнения можно определить величину ta = 8.64 С. Сравним полученное значение с измеряемым. Разность между ними составляет 1.36 С, что сопоставимо с точностью измерения термопары (±1.5 С). Таким образом будем считать, что данный способ измерения перегрева не дает значительных погрешностей и примем измеряемую температуру за температуру хладагента.
Для определения относительной погрешности длины капиллярной трубки воспользуемся методом «шаг за шагом». Для каждого этапа методики расчета длины капиллярной трубки (метод пошагового интегрирования) будем определять абсолютную погрешность того или иного параметра, необходимого для расчета. Напомню, что каждый этап - есть определение участка длины капиллярной трубки, обеспечивающего заданное падение давления. Параметры, соответствующие состоянию на входе в участок длины будем обозначать индексом «1», а параметры, соответствующие состоянию на выходе из участка - индексом «2». Ниже приводится методика расчета ошибок для одного этапа, поскольку для всех этапов подход одинаков. Приступим непосредственно к самому методу.
Чтобы найти относительную погрешность определения разности энтальпий хладагента на входе и выходе из испарителя є необходимо знать абсолютные погрешности энтальпий на входе и выходе по отдельности. Абсолютная погрешность определения энтальпии на входе равна абсолютной погрешности измерения давления конденсации 8if = SPK (поскольку значение энтальпии берется из таблиц). Абсолютную погрешность энтальпии на выходе рассчитываем как
Рассмотрев весь, приводимый в главе 3 материал, можно сформулировать следующие основные моменты:
1. Методом для расчета длины капиллярной трубки выбран метод пошагового интегрирования. На основании предварительных экспериментов с капиллярными трубками, рассчитанными по этому методу, можно сделать вывод о его преимуществе перед другими рассмотренными в главе 1 методами не только в плане сходимости результатов, но и в плане «гибкости» при решении различных задач.
2. Как существенный нюанс при использовании данного метода в расчетах, необходимо указать на определяемый экспериментально параметр, касающийся точного определения предела дросселирования. Речь идет о температуре хладагента на выходе из дроссельного узла. Этот параметр необходимо не только измерять в ходе экспериментов, но и соответствующим образом учитывать в расчетах.
3. Разработанная и приведенная в п. 3.4 методика проведения исследований является базовой, на которой будут основываться все проводимые далее работы.
Прежде чем приступать к каким-либо работам с капиллярной трубкой, необходимо, согласно разработанной методике, приводимой в главе 3, определить начальные условия для расчета длины капиллярной трубки. Помимо определения начальных условий, результаты испытаний с ручным вентилем будут являться «эталонным вариантом», с которым будут сравниваться все испытания с трубками.
В первую очередь проводились испытания макетного образца (рис. 3.1.) в режиме охлаждения. В испытательной камере были установлены температурные условия, приведенные в таблице 3.6, в строке, соответствующей стандартной холодопроизводительности. В соответствии с методикой был проведен ряд регулировок из которых впоследствии был выбран оптимальный вариант. Данные по нему представлены в таблице 4.1.
Рассчитанный по этим данным массовый расход хладагента в системе составил 63 кг/ч. Аналогичным образом был получен «эталонный» вариант для режима теплового насоса. Для этих испытаний в испытательной камере были установлены температурные режимы, указанные в таблице 3.6. и соответствующие стандартной теплопроизводительности.
