Определение хладопроизводительности и холодиль¬ного коэффициента компрессорного холодильника»

Департамент образования  г.Москвы

Восточное окружное управление

Государственное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №351

Научно-практическая конференция учащихся

 «ЮНИС: ЮНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬ» - 2011

Секция «Точные науки»

Тема проекта: «Определение хладопроизводительности и холодильного коэффициента компрессорного холодильника»

                                                           Автор:  Храмова Анастасия Евгеньевна

                                                                         ученица 10 «А» класса

                                                    Научный руководитель:       учитель физики

                                                                          Кучербаева Ольга Геннадиевна

                                                    Москва, 2011 г.

Храмова Анастасия Евгеньевна 10 класс «А» ГОУ СОШ № 351

ВОУО ДО г. Москвы

Научный руководитель: Кучербаева О.Г.

«Определение хладопроизводительности и холодильного коэффициента компрессорного холодильника».

Аннотация.

Актуальность темы: вызвана тем, что на рынке появилось большое число холодильников разных типов и возникновением вопросов, какой холодильник выбрать, какой из них наиболее энергоэкономный (в современном мире проблема энергосбережения очень важна), какой наиболее практичный в использовании, ведь  каждый человек не мыслит своей жизни без холодильника

Область исследования – физика, термодинамика.

Предмет исследования – бытовой компрессорый холодильник.

Цели: доказать, что действие  любого бытового прибора, который мы используем, в том числе и холодильника, основано на законах физики.

Задачи данной работы:

Изучить законы термодинамики, на которых базируется принцип действия холодильных установок.

Познакомиться с устройством и принципом действия компрессорных бытовых холодильников

Провести лабораторную работу по определению характеристик компрессорного холодильника.

Методы исследования: сбор информации, анализ, обобщение, изучение чертежей, схем, проведение лабораторной работы.

В теоретической части работы  рассматриваются  основные физические принципы холодильных установок, анализируется рабочий цикл холодильной машины, изучается работа холодильника как теплового насоса. Также в ознакомительном плане рассматриваются  принцип работы машины Линде и турбодетандер.

В исследовательской части приведены результаты лабораторной работы.

Заключение:

Ценность исследования состоит в том, что установлена связь между нашими знаниями, которые получены нами на уроках физики и их использованием в реальной окружающей действительности.

Работа может  быть использована при изучении физики  тепловых явлений в классах профильного изучения физики и для студентов ВУЗов.

Оглавление:

1.Введение

2.1.Теоретическая часть

§1 Холодильник

§2 Рабочий цикл холодильной машины

§3 Холодильная машина как тепловой насос

§4 Получение и применение низких температур

§5 Машина Линде

§6 Турбодетандер

2.2. Журнал исследования

3.Заключение

4.Список использованной литературы

5.Приложение

1. Введение

                      «Школьник понимает  физический  опыт  только   тогда

                        хорошо, когда он делает его сам. Но ещё лучше он понимает его, если сам делает прибор для эксперимента»

                                                                                     (П.Л.Капица)

     Цель моей работы: определение характеристик компрессионного холодильника и осуществление своего домашнего эксперимента по изучению характеристик холодильника. Кроме того, я открыла для себя привычные наблюдения с новой физической стороны, познакомилась с литературой по холодильным машинам, разобралась с математическими выводами, касающимися данной темы, но выходящими за пределы школьного курса физики 9 класса.

2.1. Теоретическая часть

§1 Холодильник. 

    Не опровергает ли второй закон термодинамики работа холодильника?

    Действие его как раз заключается в том, что от более холодного тела, находящегося в морозильнике, отнимается некоторое количество теплоты и передается более нагретому телу. Этим более нагретым телом является воздух в комнате, который в результате работы холодильника нагревается до еще более высокой температуры.

    Однако холодильник работает в полном соответствии со вторым законом термодинамики. Холодильник и воздух комнаты не составляют замкнутую   систему.    Холодильник подключен к электрической сети, а работу совершает его электродвигатель. Следовательно, переход тепла от холодного тела к горячему не является единственным результатом работы холодильника, так как за счет работы электродвигателя этот процесс сопровождается превращением энергии электрического тока во внутреннюю энергию.

          Рабочим телом в компрессионном холодильнике служит фреон. Фреоном заполнена система конденсатора и испарителя. Компрессор, приводимый в действие электродвигателем, откачивает газообразный фреон из испарителя и нагнетает его в конденсатор. При сжатии фреон нагревается. Охлаждение его до комнатной температуры происходит в конденсаторе, расположенном обычно на задней стенке холодильного шкафа. Охлажденный до комнатной температуры при повышенном давлении, создаваемом в конденсаторе с помощью компрессора, фреон переходит в жидкое состояние. Из конденсатора жидкий фреон через капиллярную трубку поступает в испаритель. Откачка паров фреона из испарителя с помощью компрессора поддерживает в нем пониженное давление. При пониженном давлении в испарителе жидкий фреон кипит и испаряется даже при температуре ниже \ О °С. Энергия на испарение фреона отбирается от стенок испарителя, вызывая их охлаждение. Откачанные пары фреона поступают в кожух компрессора, оттуда снова в конденсатор и т. д., по замкнутому кругу. Самая низкая температура, которая может быть получена в испарителе (морозильной камере), определяется значением давления паров фреона, так как температура кипения фреона, как и любой другой жидкости, понижается с уменьшением давления. При постоянной скорости поступления жидкого фреона из конденсатора в испаритель через капиллярную трубку давление паров фреона в испарителе будет тем ниже, чем дольше работает компрессор. Если нет нужды добиваться понижения температуры в испарителе до предельно достижимого значения, то компрессор периодически останавливается путем выключения электромотора, приводящего его в действие. Компрессор включается автоматом, следящим за поддержанием в холодильном шкафу заданной температуры.

§2 Рабочий цикл холодильной машины.

          В обратных процессах (циклах) холодильником по-прежнему называют тело с более низкой температурой, хотя теперь оно отдает тепло, а нагревателем — тело, имеющее более высокую температуру, хотя теперь оно его получает.

При этом  рабочее тело получает за один цикл от холодильника количество теплоты    Q2,  отдавая нагревателю количество  теплоты Q1 , которое больше полученного количества теплоты Q2  на работу А’, совершаемую электромотором: | Q1 |= Q2 +A’.

Можно сказать, что в данном случае тепловая машина совершает отрицательную работу:

A= Q2 -|Q1|=-A’.

В результате проведения обратного цикла увеличивается разность температур между нагревателем и холодильником. В этих условиях тепловая машина работает как «тепловой насос».

Важнейшей характеристикой холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению количества теплоты, отнятого от холодильной камеры, к работе электродвигателя (расходу электроэнергии) :

ζ= Q2 /A’= Q2 /| Q1|- Q2

В идеальной холодильной машине максимальный холодильный коэффициент равен:

ζ= Т2 / (Т1- Т2)

в реальных машинах:

                                                     ζр < Т2 / (Т1- Т2)

         Еще одна характеристика холодильной машины — хлодопроизводи-тельность. Она показывает, какое количество теплоты q способна отнимать машина у охлаждаемых тел в единицу времени:

q = Q2/t.

§3 Холодильная машина как тепловой насос

Нельзя ли использовать холодильную машину для обогрева помещения? Ведь, как мы выяснили, эта машина охлаждает холодное тело (внутреннюю емкость холодильника) и нагревает более горячее, например окружающий воздух в помещении. Ответ на поставленный вопрос уже по существу дан: холодильная машина может служить обогревателем. Но стоит ли это делать, не лучше ли  пользоваться  обычными электроотопительными приборами, более простыми по устройству, чем тепловые насосы?

Чтобы ответить на этот вопрос, найдем соотношение между количеством теплоты Q2, отнятым у холодного тела, и количеством теплоты Q1, переданным нагретому телу.

Поскольку в обратном цикле сжатие газа происходит при более высокой температуре, чем расширение, то работа сжатия больше работы расширения (|A'сжат| > |A'расш|). Таким образом, за каждый «обратный цикл» внешние силы совершают положительную работу:

                           A’ = |A'сжат| - |A'расш| > 0

Применив первый закон термодинамики к изотермическим процессам сжатия и расширения, найдем:

                                   Q1 = |A'сжат|;           Q2 = |A'расш|,

следовательно,

                                         | Q1 |= Q2 +A’ > Q2

В полном  соответствии с первым законом термодинамики мы получили, что за счет работы компрессора А' холодильник отдает в окружающее пространство большее количество теплоты, чем то, которое он отнимает у морозильной камеры.

Если холодильную камеру вынести на улицу, а конденсатор оставить в помещении, то при совершении компрессором работы А' за счет энергии электрической сети от холодного воздуха на улице будет отнято количество теплоты Q2 и теплому воздуху в комнате будет передано количество теплоты                                          | Q1 |= Q2 +A’ . Так можно использовать холодильную машину для обогрева помещения. Холодильную машину, работающую по такому принципу, называют тепловым насосом.

Ответим теперь на поставленный выше вопрос: выгодно ли пользоваться тепловым насосом? Коэффициент полезного действия электронагревателя можно считать равным единице. Эффективность теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом, равным отношению количества теплоты, которое получает отапливаемое помещение, к работе электродвигателя (расходу электроэнергии):

Ψмах = | Q1| /A’= | Q1|  /| Q1|- Q2 = Т1 / (Т1- Т2) > 1

 У реального теплового насоса:

Ψмах < Т1 / (Т1- Т2)

Но и в этом случае добиваются, чтобы выполнялось условие Ψр> 1, иначе теряет смысл сама идея теплового насоса как более экономичной отопительной системы.

В качестве примера рассмотрим случай, когда температура наружного воздуха t2 = 0°С, а внутри дома тепловой насос должен поддерживать температуру t1 = +20°C. Для этих значений температур максимальный отопительный коэффициент равен:

Ψмах = Т1 / (Т1- Т2) = 14,5

Это значит, что, пользуясь тепловым насосом, работающим за счет электрической энергии двигателя, мы можем «накачать» в помещение примерно в 15 раз большее количество теплоты, чем получили бы при той же затрате энергии от электронагревательного прибора.

§4 Получение и применение низких температур.

 Низкие температуры широко применяют не только для хранения продуктов в быту и пищевой промышленности, но и в медицине, в строительстве, в химической промышленности, в современной промышленной технологии. Искусственный холод применяют при проходке туннелей и строительстве шахт для замораживания водоносных пород, при создании искусственных катков на стадионах, при производстве синтетического каучука, искусственного волокна. Глубокое охлаждение (ниже 200 К) используют для длительного хранения крови в медицине, а в машиностроении для охлаждения внутренних деталей машин, которые при сборке должны быть плотно пригнаны к наружным.

Одно из наиболее важных применений глубокого охлаждения - сжижение воздуха с целью получения из него газообразных азота (tK = - 196 °С) и кислорода (tK = -183 °С). Азот используют для производства аммиака, из которого получают различные удобрения, взрывчатые вещества, красители. Кислород применяют для интенсификации окислительных процессов и получения высоких температур в автогенной сварке и резке металлов (температура пламени около 3200 °С). Применение кислородного дутья при выплавке стали в мартенах и конверторах снижает расход топлива и повышает производительность агрегата за счет ускорения процессов. Например, обогащение кислородом воздуха всего на 1 % увеличивает производительность домны на 10%.

§5 Машина Линде.

      Для получения низких температур можно использовать адиабатное расширение сжатого воздуха после прохождения его через отверстие малого диаметра, называемое дросселем. Резкое падение давления сопровождается увеличением расстояний между молекулами. При этом совершается работа газа против сил молекулярного притяжения. В результате потенциальная энергия взаимодействия молекул увеличивается за счет уменьшения кинетической энергии их хаотического движения, и температура газа понижается. Этот процесс называют адиабатным дросселированием, а понижение температуры в этом процессе — эффектом Джоуля - Томсона.

   В машине Линде воздух сжимают компрессором до давления 107 Па. После охлаждения в теплообменнике сжатый воздух поступает в змеевик  (см. Приложение рис.1), состоящий из труб, расположенных одна в другой. При выходе сквозь дроссель  внутренней трубы воздух резко расширяется и его температура понижается.

Охлажденный воздух идет по внешней трубе навстречу воздуху, идущему по внутренней трубе. В результате теплообмена температура воздуха, идущего по внутренней трубе, еще более понижается. Через несколько часов работы установки температура воздуха понижается настолько, что начинается его конденсация. Жидкий воздух  собирается в дьюаровском сосуде .

§6 Турбодетандер.

В современных холодильных машинах сжатый газ охлаждается не только вследствие расширения, но и за счет совершения внешней работы. Для этого предварительно сжатый и охлажденный воздух направляется в специальную машину — турбодетандер.

Схема установки с турбодетандером, разработанным академиком П. Л. Капицей, изображена (на рисунке 2 Приложения). Компрессор  сжимает воздух до давления 6* 105 Па. Сжатый воздух проходит через теплообменник , где предварительно охлаждается встречным потоком несжиженного холодного воздуха. Далее поток разделяется на две части. Небольшая часть сжатого воздуха поступает непосредственно в конденсатор, а основной поток поступает в турбодетандер. В турбодетандере сжатый воздух ударяется о лопасти турбины и, вращая последнюю, совершает работу. При этом его давление падает до атмосферного и происходит дополнительное понижение температуры. Расширившийся и охлажденный воздух поступает в конденсатор , поднимается по трубам вверх и затем выходит через теплообменник  наружу.

Сжатый воздух, не прошедший через детандер, поступает в межтрубное пространство конденсатора, где охлаждается встречным потоком воздуха. При этом в межтрубном пространстве воздух сжижается. Жидкий воздух пропускается через дроссель в конденсатор. При уменьшении давления часть жидкого воздуха испаряется и поднимается вверх, а оставшаяся жидкость, отдав часть внутренней энергии на испарение, охлаждается до температуры, при которой давление насыщенных паров не превышает 105 Па.

Преимущество турбодетандера -возможность применения более низких давлений и, как следствие, уменьшение габаритов установки.

Турбодетандеры обладают высокой производительностью, их термодинамический КПД достигает 17%, а на получение жидкого воздуха массой 1 кг затрачивается энергия 1,1 кВт-ч.

В турбодетандерах можно производить сжижение не только воздуха, но и водорода, гелия. Для этого требуется более глубокое предварительное охлаждение газа.

2.2. Журнал исследования

Для определения характеристик (хладопроизводительность и холодильный коэффициент) домашнего холодильника необходимы:

холодильник компрессионный,

инструкция по его эксплуатации,

термометр,

полиэтиленовый мешочек,

часы,

стакан.

   Предварительно я ознакомилась с устройством компрессионной холодильной машины, показанным на рисунке в Приложении.  Необходимо знать следующее.

   В компрессионном холодильнике замкнутая система из соединенных последовательно трубопроводами компрессора, испарителя и конденсатора заполняется хладоагентом. В качестве него обычно применяется фреон-12 (СF2Cl2 ) —ди-фтордихлорметан; он взрывобезопасен, не имеет запаха и обладает низкой температурой кипения (-29,8 °С при атмосферном давлении).

    При работе компрессора происходит отсасывание паров фреона из испарителя и из-за понижения давления процесс испарения ускоряется. Теплота, идущая на испарение, «отбирается» от среды, окружающей испаритель. Компрессором пары фреона сжимаются, при этом их температура повышается. В конденсаторе-теплообменнике (находящемся на задней стенке холодильника) они охлаждаются до комнатной температуры, отдавая часть тепла окружающей среде, и конденсируются при постоянном давлении р1.

После прохождения фреона через капиллярную трубку в испаритель его дав ление снижается от значения р1 в конденсаторе до р2 в испарителе. Здесь жидкий фреон при понижении давления опять испаряется, его температура (и вместе с ним температура испарителя) понижается. Такая циркуляция фреона, связанная с теплообменом, происходит непрерывно, пока работает компрессор. В конденсаторе холодильника выделяется количество теплоты

                                      | Q1 |= Q2 +A’ .          

где A’ — работа, совершенная электродвигателем компрессора, (Q2 — количество теплоты, полученное от среды окружающей испаритель.

Экономичность холодильника определяется холодильным коэффициентом ε, равным отношению количества теплоты (Q2, переданного охлаждаемыми телами испарителю, к работе A’, совершенной при этом электродвигателем компрессора. Учитывая приведенную выше формулу, получаем:

ε = Q2/ A’ = Q2 /| Q1|- Q2       (1)

Другая практически важная характеристика холодильной машины — ее хладопроизводительность. Хладопроизводителъностью называется количество теплоты  (Q2 , «отнимаемое» у охлаждаемых тел за единицу времени:

q = Q2/t        (2)

(В  технике  хладопроизводительность обычно измеряется в Дж/ч.)

     Для измерения количества теплоты Q2 , «отнятого» у охлаждаемого тела,  можно поместить в испаритель известное количество воды т в полиэтиленовом мешочке и измерить понижение ее температуры Δt за известный промежуток времени. Очевидно, что Q2 = стΔt , где с — удельная теплоемкость воды, Δt — понижение ее температуры. Работу, совершенную электродвигателем за определенное время, можно найти по известной его мощности N и зафиксированному времени t работы холодильника: A=Nt (Поскольку компрессионные холодильники периодически включаются и выключаются с помощью реле, в расчетах следует пользоваться значением средней «потребляемой» мощности. Например, если электродвигатель мощностью 150 Вт работал 5 минут

10 мин был выключен, то N ср = 1/3*150 = = 50 Вт.)

Сначала выключают холодильник, поставив ручку терморегулятора в положение «выкл.», освобождают камеру и испаритель от продуктов и «ледяной шубы». После размораживания холодильник включают, поставив ручку терморегулятора на первое деление. Опыт можно начать, когда установится нормальный режим работы холодильника, т. е. через 20—25 мин (после четырех-пяти автоматических включений и выключений электродвигателя). За это время нужно налить в полиэтиленовый мешочек 300г воды, измерить ее начальную температуру  Т1  плотно завязать мешочек, дождаться очередного включения электродвигателя и, быстро положив мешочек с водой в испаритель, закрыть дверцу холодильника. Одновременно надо зафиксировать время t1 начала работы электродвигателя. Затем отмечают время выключения агрегата t2  и время его повторного включения t3 . Вынув мешочек с водой из испарителя, слегка взбалтывают ее для растворения образовавшихся на дне кристалликов льда и измеряют температуру Т2 .

Зная мощность холодильника N  из паспорта, время работы электродвигателя t2  - t1 и время t3  - t2 , в течение которого он был выключен, определяют среднюю мощность:

N ср = N( t2  - t1 )/( t3  - t1 )

3. Заключение

      В своей работе я достигла поставленных целей. А именно:

      Я проделала свой домашний эксперимент по изучению характеристик холодильника. Кроме того, открыла для себя привычные наблюдения с новой физической стороны, познакомилась с литературой по холодильным машинам, разобралась с математическими выводами, касающимися данной темы, но выходящими за пределы школьного курса физики 10 класса.

4. Список литературы:

Балашов М.М. О природе . М.: Просвещение, 1991 г.

Громов С.В., Родина Н.А. Физика –9. – М.: Просвещение, 2000 г.

Новиков Э.А. Планета загадок. – Л.: Недра, 2004 г.

Физика – юным. / Сост. Алексеева М.Н. – М.- Просвещение., 2003 г.

Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. – М.: Наука, 2003г.

5. Приложение