Содержание (стр. 2 из 17)

В охлаждаемом пространстве камеры находятся: конструкционно выделенное пространство с исследуемым объектом, называемое полезным объемом; охлаждающие батареи; крыльчатка вентилятора; воздуховоды и т.д. Значение полезного объема является одной из основных технических характеристик испытательной камеры. Испаритель исполняют, как правило, из оребренных труб и оснащают вентиляторами, электродвигатели которых располагают вне охлаждаемого пространства. Система воздухораспределения включает каналы, решетки, жалюзи и обеспечивает подачу воздуха в объем с исследуемым объектом, как правило, снизу вверх. Электронагреватели (закрытые трубчатые или открытые спиральные) размещают в воздуховоде. Холодильное оборудование располагают в нижней части блока, на общей опорной раме. Пульт управления обеспечивает: автоматическое регулирование режима работы камеры по заданному закону, автоматическое управление работой оборудо-вания, автоматический контроль текущих значений параметров, автоматичес-кую сигнализацию о достижении заданных значений параметров, автоматичес-кую защиту от возникновения аварийных ситуаций.

1.3. Физические основы получения низких температур [2, с.158]

Физическая природа теплоты и холода одна и та же, разница состоит только в скорости движения молекул и атомов. Когда теплота отводится, движение молекул замедляется и тело охлаждается. Если же теплота подводится, то движение молекул ускоряется и тело нагревается, т.е. причиной нагрева и охлаждения является движение молекул, из которых состоит любое физическое тело. Охлаждение нагретого тела до температуры окружающей среды происходит самопроизвольным, естественным путем за счет отдачи те-плоты в окружающую среду (воздух, вода) без применения холодильной техники. Задача последней является охлаждение тела до температуры ниже температуры окружающей среды, что можно осуществить с помощью холодильных машин или источников безмашинного холода (например, льда). Процессы в элементах холодильной машины взаимосвязаны и на них оказывают влияние, как окружающая среда, так и охлаждаемые объекты. Для получения низких температур используют физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К числу таких основных процессов относятся: фазовый переход вещества, сопровождающийся поглощением теплоты извне плавление, кипение (испарение), сублимация; изоэнтропное дросселирование газа с начальной температурой, меньшей температуры точки инверсии (эффект Джоуля-Томсона); вихревой эффект (эффект Ранка-Хилъша); термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).

В данном дипломном проекте для получения низких температур применяется фазовый переход - процесс кипения [3, с. 9].

Агрегатное состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное) зависит от внешних условий - температуры t и давления р. При определенном изменении этих условий форма связи между молекулами в теле меняется и оно переходит в другое агрегатное состояние. Переход однородного тела из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением. Фазовые превращения однородных тел происходят при постоянной температуре, зависящей от условий перехода и физических свойств тела, и сопровождается выделением или поглощением скрытой теплоты, которая расходуется на изменение связи между молекулами.

Фазовые превращения не сопровождаются химическими изменениями и являются физическими процессами.

2. ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ

АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

2.1. Обоснование схемы [4, с. 95], [5, с. 92]

Расчет цикла термокамеры заключается в определении параметров рабочего тела в узловых точках и исходных данных для проектирования или подбора оборудования.

Температуры кипения и конденсации являются основными внутренними параметрами, определяющими схему и режим работы парокомпрессионной холодильной машины.

Температуру конденсации фреона 22 находим, принимая среднюю разность температур в пределах 10°С [6, с. 356]:

, (2.1)

где tR22 - температура хладагента на выходе из конденсатора.

ºС

Температура охлаждаемого объекта определяется температурой кипения хладоносителя, подаваемого в технологический аппарат, tox= -60 °С. Принимая среднюю разность температур в фреоновых испарителях 10 °С, находим температуру кипения R22.

ºС

По диаграмме i -lg р (рис. 2.5.) находим давление паров фреона в испарителе и конденсаторе:

PR22, кип. = 0,2 МПа (при tR22, кип. = -70 ºС);

PR22, кон. = 13,5 МПа (при tR22, кон. = 35 ºС);

Степень повышения давления в компрессоре Ркон./Ркип. = 1,35/0,02=67,5. Рекомендуемое соотношение для одноступенчатых машин Ркон./Ркип.≤8[6, с. 356].

Поэтому одноступенчатая машина для достижения -60 °С не подходит. Возможное решение это 2-х каскадная, либо 2-х ступенчатая холодильная машина.

Принципиальная схема и теоретический цикл двухступенчатой холодиль- ной машины с промежуточным сосудом показаны на рис. 2.1

Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины со змеековым промежуточным сосудом

Рис.2.1.

Рабочие вещество в состоянии сухого насыщенного пара (точка 1) поступает в компрессор первой ступени 1, где сжимается (процесс 2-1) и направляется в промежуточный теплообменник II. В теплообменнике рабочее вещество охлаждается (процесс 2-3) за счет окружающей среды. После теплообменника происходит смешение рабочего вещества, идущего из первой ступени и из промежуточного сосуда VI. После смешения состояние рабочего вещества определяется точкой 4. Затем рабочее вещество поступает в ком-прессор второй ступени III, где сжимается (процесс 4-5), потом - в конденсатор IV, где сначала охлаждается до состояния сухого насыщенного пара и конденсируется (процесс 5-6).

Большая часть рабочего вещества идет через змеевик промежуточного сосуда, а меньшая - дросселируется во вспомогательном дроссельном вентиле V (процесс 6-7). В промежуточном сосуде влажный пар, который получился после дросселирования, делится на составляющие: сухой насыщенный пар (состояние 8), идущий во вторую ступень, и насыщенную жидкость (состояние 9), скапливающуюся в нижней части промежуточного сосуда. Под воздействием теплоты, которая поступает от рабочего вещества, идущего по змеевику, жидкость кипит при давлении pт. Пар, образовавшийся при кипении, также отсасывается компрессором второй ступени. Рабочее вещество, которое идет по змеевику, охлаждается (процесс 6-10), затем дросселируется в основном дроссельном вентиле VII (процесс 10-11) и поступает в испаритель VIII, где кипит (процесс 11-1).

Каскадная холодильная машина состоит из двух одноступенчатых машин, называемых нижней и верхней ветвью каскада (рис. 2.2.).

Схема и цикл каскадной холодильной машины

Рис.2.2

В нижней ветви каскада используется рабочее вещество высокого давления, которое, получая теплоту в испарителе VII от источника низкой температуры, кипит (процесс 4 -1), пар сжимается в компрессоре I (процесс 1 - 2), охлаждается и конденсируется в испарителе конденсаторе V (процесс 2 - 3), а затем дросселируется в дроссельном вентиле VI (процесс 3 - 4). Теплота конденсации рабочего вещества нижней ветви каскада отбирается рабочим веществом холодильной машины верхней ветви каскада - как правило, это рабочее вещество среднего давления, которое кипит в испарителе-конден-саторе.

Пар рабочего вещества верхней ветви каскада сжимается компрессором II (процесс 5 - 6), затем рабочее вещество верхней ветви каскада направляется в конденсатор III (процесс 6 - 7), дросселируется в дроссельном вентиле IV (процесс 7 - 8) и поступает в испаритель-конденсатор. Таким образом, рабочее вещество в машине нижней ветви каскада совершает цикл 1 - 2 - З - 4, а в машине верхней ветви каскада - цикл 5 - 6 - 7 - 8, и эти машины объединяются испарителем конденсатором.

Рабочим веществом нижней ветви каскада является R2З, поэтому во время стоянки машины, когда температура всех ее частей сравняется с температурой окружающей среды, значительно повышается давление во всех элементах машины (при 25°С давление насыщенных паров R2З составляет приблизительно 5 МПа). Для предотвращения от чрезмерного повышения давления в холодильной машине нижней ветви каскада к системе подключают расширительный сосуд VIII, рассчитанный так, чтобы при остановке машины давление во всех элементах машины не превышало расчетного предельного значения, а при пуске рабочее вещество сначала отсасывается из него, а затем подключается испаритель.

В действительных циклах каскадные машины чаще всего, выгоднее двухступенчатых (иногда и трехступенчатых). Это объясняется следующими преимуществами работы с рабочими веществами высокого давления:

- теоретический объем компрессора каскадной машины меньше, чем двухступенчатой из-за меньших удельных объемов всасываемого пара;

- при больших значениях давления всасывания относительные потери мощности в клапанах значительно меньше;

- так как Vт компрессора нижней ветви каскада меньше, чем компрессора нижней ступени, то мощность трения компрессоров каскадной машины меньше, чем двухступенчатой;

- отношение давлений для одинаковых диапазонов температур у рабочих веществ каскадных машин меньше;