В статье кратко описано предназначение климатических камер. Произведены расчеты оптимальных давлений нагнетания в холодильных циклах R23 и R404a. Выбран хладагент, обеспечивающий наиболее эффективную работу камеры ТХВ-500.
Ключевые слова : климатическая камера, холодильный цикл, хладагент.
Введение
Агрегаты пневмогидравлических систем (ПГС) являются неотъемлемой частью изделий ракетно-космической техники. Для подтверждения работоспособности и надежности таких изделий проводятся отработочные автономные испытания [1].
Для проведения испытаний изделий в агрессивной среде: при высоких и низких температурах, давлениях, высокой и низкой влажности — используются климатические камеры.
Климатическая камера — камера, позволяющая точно моделировать агрессивное воздействие окружающей среды и применяемая в научно-исследовательских учреждениях, разрабатывающих оборудование для машиностроения, а также оборонной и авиационной промышленности.
В данной статье проведен подбор хладагента для одной из таких камер при работе в режиме охлаждения испытываемого изделия до -15 0 С и найдены оптимальные рабочие давления при работе камеры на различных хладагентах. Рассмотрены холодильные циклы на хладагентах R23 и R404a, которые могут быть использованы для работы климатической камеры ТХВ-500.
Расчет холодильного цикла на R 23
Схема холодильного цикла на R23 с промежуточным разделением на пар и жидкость приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки для цикла на R23
Холодильный цикл на R23 с промежуточным разделением на пар и жидкость показан на рис. 2.
Рис. 2. Холодильный цикл на R23 с промежуточным разделением на пар и жидкость
Для получения наилучшего варианта цикла нужно подобрать оптимальное давление нагнетания для рассматриваемого цикла.
Варьируем давление нагнетания в точке 2 от 40 до 100 бар с шагом 10 бар:
Р = (40; 50; 60; 70; 80; 90; 100)
Давления в точках 2 и 3 одинаковые, а температура в точке 3 равна 40 0 С (температура после газоохладителя с учетом недорекуперации в теплообменнике), тогда получим варианты значений энтальпии в точке 3 (в кДж/кг):
h 3 = (368,73; 350,98; 322,69; 285,72; 273,94; 269,55; 266,93)
Энтальпии в точках 3 и 4 равны, то есть h 3 =h 4 .
Промежуточное давление примем равным 30 бар. Давление кипения хладагента при заданных условиях: 14,456 бар.
Отсюда находим:
h 4ж = 212,17 кДж/кг, h 4п =336,93 кДж/кг — энтальпии в точках 4ж и 4п, при этом h 5 = h 4ж , h 7 = h 4 п .
Тогда температуры в точках 4, 4ж, 4п равны 6,87 0 С.
Температура в точке 6 равна -19 0 С (за счет перегрева), а давление равно 14,456 бар. Следовательно, находим энтальпию в этой точке: h 6 =342,13 кДж/кг.
х — долю жидкости — находим по формуле [2]:
Уравнение энергетического баланса [2]:
Отсюда получим вариацию значений энтальпии для точки 1 (в кДж/кг):
h 1 = (335,605; 336,344; 337,524; 339,064; 339,555; 339,738; 339,848)
Вариации значений температуры в точке 1 (в градусах Цельсия) и энтальпии в точке 2s (в кДж/кг):
t 1 = (-24,45; -23,86; -22,90; -21,62; -21,21; -21,05; -20,96)
h 2 S = (358,92; 365,26; 371,36; 377,43; 381,68; 385,18; 388,30)
График зависимости холодильного коэффициента от давления нагнетания для рассматриваемого цикла представлен на рис. 3.
Рис. 3. График зависимости холодильного коэффициента от давления нагнетания
Оптимальное давление нагнетания: Р опт = 78 бар.
Найдем энтальпию точки 3 (нам известны давление и температура):
h 3 =275,28 кДж/кг
Найдем долю жидкости: х=0,494
Из уравнения баланса: h 1 =339,50 кДж/кг, h 2 S =380,92 кДж/кг.
Уравнение изоэнтропного КПД компрессора:
где 0,7 — изоэнтропный КПД компрессора.
Получаем: h 2 =380.92 кДж/кг.
Холодильный коэффициент [3]:
q 0 = (h 6 –h 5 ) · x= 64,22 кДж/кг — удельная холодопроизводительность
l= h 2 S –h 1 =41,42 кДж/кг — удельная работа сжатия
Расчет холодильного цикла на R 404 a
Схема холодильного цикла на R404а с промежуточным разделением на пар и жидкость приведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема холодильного цикла на R404а с промежуточным разделением на пар и жидкость
Холодильный цикл на R404а с промежуточным разделением на пар и жидкость показан на рис. 5.
Рис. 5. Холодильный цикл на R404а с промежуточным разделением на пар и жидкость
Для получения наилучшего варианта цикла необходимо подобрать оптимальное давление нагнетания для рассматриваемого цикла. Варьируем давление в точке 2 от 20 до 80 бар с шагом 10 бар:
Р = (20; 30; 40; 50; 60; 70; 80)
Давления в точках 2 и 3 одинаковые, а температура в точке 3 равна 40 0 С, тогда получим варианты значений энтальпии в точке 3 (в кДж/кг):
h 3 = (380,37; 261,43; 259,99; 258,88; 257,99; 257,29; 256,72)
Энтальпии в точках 3 и 4 равны, то есть h 3 =h 4 .
Промежуточное давление принимаем равным 5 бар. Давление кипения хдадагента при заданных условиях: 2,5 бар.
Отсюда найдем:
h 4ж = 191,31 кДж/кг, h 4п =365,11 кДж/кг — энтальпии в точках 4ж и 4п, при этом h 5 = h 4ж , h 7 = h 4 п ,
Тогда температуры в точках 4, 4ж, 4п равны -6, -6,2 и -5,57 0 С соответственно.
Температура в точке 6 равна -19 0 С (за счет перегрева), а давление 2,5 бар. Следовательно, находим энтальпию в этой точке: h 6 =358,25 кДж/кг.
х — долю жидкости — находим по формуле [2]:
Уравнение энергетического баланса [2]:
Отсюда получаем вариацию значений энтальпии для точки 1 (в кДж/кг):
h 1 = (365,712; 361,018; 360,961; 360,917; 360,882; 360,854; 360,832)
Найдем вариации значений температуры в точке 1 (в градусах Цельсия) и энтальпии в точке 2s (в кДж/кг):
t 1 = (-9,90; -15,61; -15,68; -15,73; -15,78; -15,81; -15,84)
h 2 S = (365.72; 361.02; 360.96; 360.92; 360.88; 360.85; 360.83)
График зависимости холодильного коэффициента от давления нагнетания для рассматриваемого цикла представлен на рис. 6.
Рис. 6. График зависимости холодильного коэффициента от давления нагнетания
Оптимальное давление: Р опт = 33 бар.
Находим энтальпию точки 3 по известным температуре и давлению: h 3 =260,96 кДж/кг.
Находим долю жидкости: х=0,599.
Из уравнения баланса: h 1 =360,274 кДж/кг, h 2 S =407,03 кДж/кг.
Уравнение изоэнтропного КПД компрессора:
где 0,7 — изоэнтропный КПД компрессора.
Получаем: h 2 =427.068 кДж/кг.
Холодильный коэффициент [3]:
q 0 =(h 6 -h 5 ) · x= 99,314 кДж/кг — удельная холодопроизводительность,
l= h 2 S - h 1 =46,756 кДж/кг — удельная работа сжатия.
Заключение
Из расчетов получено, что холодильный цикл на R404a обладает наибольшей по сравнению с холодильным циклом на R23 эффективностью для применения его для обеспечения работы климатической камеры ТХВ-500 в режиме охлаждения до температуры -15 0 С.
Литература:
- ОСТ 92–9337–80 «Агрегаты пневмогидравлических систем изделий. Испытания».
- А. М. Архаров, И. В. Марфенина. Криогенные системы: Том 1. Основы теории и расчета. — Москва, «Машиностроение», 1996.
- И. А. Короткий. Научные основы криологии: учебное пособие / И. А. Короткий; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. Кемерово, 2005. — 104 с.
