Проект парокомпрессорной холодильной установки для склада готовой продукции мясокомбината. Описание конструктивных особенностей холодильной установки, назначение основных узлов и деталей. Расчет цикла паровой компрессионной холодильной установки.
Аннотация к работе
Отношение отведенного от охлаждаемого тела тепло («произведенного холода») к затраченной работе носит название «холодильного коэффициента» и является характеристикой экономичности холодильной машины: Очевидно, максимальное значение холодильного коэффициента при заданном температурном интервале равно холодильному коэффициенту обратного цикла Карно, т.е. Из компрессора пар хладона поступает в конденсатор 3, где при постоянном давлении он конденсируется вследствие отнятия у него тепла охлаждающей водой. Охлажденный теплоноситель при помощи насоса 6 направляется в охлаждаемое помещение 1, в котором он нагревается вследствие отнятия тепла от тел, подлежащих охлаждению, и возвращается в испаритель, где он снова отдает тепло пару хладона, поступающему в компрессор. В конденсаторе, работающем на хладоне, применяют трубы из цветных металлов, на наружной поверхности которых намотаны ребра. Линейные ресиверы служат для компенсации различия в заполнении испарительного оборудования жидкостью при изменении тепловой нагрузки, высвобождают конденсатор от жидкости, омертвляющей теплообменную поверхность, а также содержат необходимый запас холодильного агента для восстановления утечек в системе холодильной установки.
Введение
В связи с развитием пищевой промышленности и насущной потребностью длительного хранения различного вида продуктов (мясо, колбаса и т.д.), широкое распространение получило такое явление как создание искусственного холода.
Существует несколько способов создания искусственного холода. К основным относятся: использование низкокипящих хладоагентов, дросселирование газов, процесс расширения газов в детандере.
Искусственное охлаждение связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой. Такой процесс требует затраты энергии. Качественным показателем процесса является холодильный коэффициент , отношение холодопроизводительности к работе, затраченной в цикле.
1. Описание конструктивных особенностей холодильной установки, назначение основных узлов и деталей
Холодильная установка служит для искусственного охлаждения тел ниже температуры окружающей среды. Рабочее тело в холодильных машинах совершает круговой обратный процесс, в котором, в противоположность прямому циклу затрачивается работа извне и отнимается тепло от охлаждаемого тела.
Рис.1 Обратный цикл Карно
Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно (рис. 1). В результате осуществления цикла затрачивается работа и тепло от холодного тела переносится к более нагретому телу. Отношение отведенного от охлаждаемого тела тепло («произведенного холода») к затраченной работе носит название «холодильного коэффициента» и является характеристикой экономичности холодильной машины:
Очевидно, максимальное значение холодильного коэффициента при заданном температурном интервале равно холодильному коэффициенту обратного цикла Карно, т.е.
Отношение характеризует степень термодинамического совершенства применяемого цикла.
В качестве холодильных агентов применяют воздух и жидкости с низкими температурами кипения: аммиак, углекислота, сернистый ангидрид и фреоны (галоидные производные насыщенных углеводородов).
1.1 Цикл паровой компрессионной холодильной установки
Рис. 2. Схема паровой холодильной установки
Насыщенный пар хладона (или другого рабочего тела) при температуре, близкой к температуре охлаждаемого помещения 1, всасывается компрессором 2 и адиабатно сжимается. Из компрессора пар хладона поступает в конденсатор 3, где при постоянном давлении он конденсируется вследствие отнятия у него тепла охлаждающей водой. Полученный жидкий хладон поступает в редукционный вентиль 4, в котором происходит его дросселирование, при котором происходит понижение давления и температуры хладона. При этом хладон частично испаряется.
Полученный влажный насыщенный пар (степень сухости обычно находится в пределах 0.01-0.15) с низкой температурой и является хладоносителем. Его направляют в трубы охлаждаемого помещения, где за счет тепла, отбираемого от охлаждаемых тел, степень сухости его увеличивается, и он снова направляется в компрессор. В дальнейшем этот цикл повторяется.
Часто на практике применяются паровые компрессионные установки с промежуточным теплоносителем. В качестве такого теплоносителя применяют рассолы, т.е. растворы в воде различных солей, главным образом поваренной соли NACL, хлористого кальция CACL2 и хлористого магния MGCL2, этиленгликоля, незамерзающие при низких температурах. В этом случае в схему установки, изображенной на рис. 3, вводится дополнительно испаритель 5.
Рис.3. Схема паровой компрессионной холодильной установки в промежуточным теплоносителем
В промежуточный теплоноситель направляется влажный пар хладона после редукционного вентиля. В испарителе хладоны испаряются, отнимая тепло от промежуточного теплоносителя.
Охлажденный теплоноситель при помощи насоса 6 направляется в охлаждаемое помещение 1, в котором он нагревается вследствие отнятия тепла от тел, подлежащих охлаждению, и возвращается в испаритель, где он снова отдает тепло пару хладона, поступающему в компрессор. В дальнейшем этот цикл повторяется.
В холодильных установках чаще всего применяют кожухотрубчатый горизонтальный конденсатор. Он представляет собой цилиндрический кожух с плоскими трубными решетками, в отверстиях которых развальцованы или вварены трубы. Охлаждающая вода протекает по трубам, холодильный агент конденсируется на их наружной поверхности. Нижняя часть кожуха не заполнена трубами, ее используют как ресивер для жидкого холодильного агента. В конденсаторе, работающем на хладоне, применяют трубы из цветных металлов, на наружной поверхности которых намотаны ребра.
Отделители жидкости предназначены для улавливания капель жидкости, содержащихся в паре хладоагента. При установке отделителей жидкости между испарительной системой и компрессором, они защищают компрессор от опасного режима работы, который является следствием попадания в компрессор жидкости вместе с парами холодильного агента.
Маслоотделители служат для улавливания масла, уносимого холодильным агентом из компрессора. Кроме того, они служат буферной емкостью, сглаживающей пульсацию потоков паров хладоагента в нагнетательном трубопроводе непосредственно за поршневым компрессором.
Маслосборники служат для слива масла из аппаратов холодильной установки и последующего его удаления из системы. Их применение позволяет уменьшить потери холодильного агента и повысить безопасность работы при удалении масла из системы.
Линейные ресиверы служат для компенсации различия в заполнении испарительного оборудования жидкостью при изменении тепловой нагрузки, высвобождают конденсатор от жидкости, омертвляющей теплообменную поверхность, а также содержат необходимый запас холодильного агента для восстановления утечек в системе холодильной установки.
Дренажные ресиверы предусматриваются для слива жидкого холодильного агента из аппаратов и трубопроводов холодильной установки как при эксплуатации (например, при оттаивании испарителей), так и перед ремонтом.
Холодильные установки мясокомбинатов являются частью производственного предприятия, предназначены для холодильной обработки и для хранения мяса и мясопродуктов.
2. Термодинамический расчет цикла
Определение параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла. Точка 1а. Состояние сухого насыщенного пара: .
По таблице 3 п [1] с помощью линейного интерполирования определяем
Точка 1. Состояние перегретого пара:
Остальные параметры: По закону Гей-Люссака
Энтальпия хладагента в точке 1:
- энтальпия сухого насыщенного пара при ;
- удельная изобарная теплоемкость хладона.
Принимая , получим
.
По формуле линейного интерполирования определим : ;
.
Энтропия перегретого пара в точке 1:
Произведя интегрирование и приняв на протяжении процесса, получим: Точка 2. Процессы 2-2а и 3-3а протекают в конденсаторе изобарно, и при соответствуют давлению насыщения при .
Линейной интерполяцией находим: Для приближенного расчета температуры в точке 2 используем связь между параметрами политропного процесса:
Плотность перегретого пара хладона R12 определим интерполированием:
;
.
Удельный объем ;
;
.
Точка 2а. Состояние сухого насыщенного пара при давлении
: Точка 3а. Состояние жидкого хладона R12 на линии насыщения: , Линейным интерполированием получим: Точка 3. Хладон после переохлаждения.
Точка 4.
Из таблицы 3 п [1] при линейным интерполированием находим: При :
Результаты расчета термодинамического цикла
№ Р,МПА t,?С v,м3/кг h,КДЖ/кг S,КДЖ/КГК
1 0,158 -19 0,1059 544,12 4,5664
2 0,552 42 0,037 586,02 4,632
2a 0,552 19 0,03112 559,21 4,55
3a 0,552 19 0,00075 418,12 4,0664
3 0,552 10 0,00075 409,54 4,0340
4 0,158 -19 0,0185 409,54 4,044
1a 0,158 -19 0,1059 544,12 4,5664
Расчет холодильного коэффициента
Удельная холодопроизводительность: Количество тепла, отданное воздухом охлаждающей воде
Затраченная в цикле работа: Работа, затраченная на привод компрессора: Расход холодильного агента: Термодинамическая мощность, необходимая для привода компрессора: Холодильный коэффициент цикла: Холодильный коэффициент установки, работающей по обратному циклу Карно:
где и - соответственно минимальная и максимальная температура холодильного цикла в действительном цикле.
,
3. Конструктивный тепловой расчет конденсатора
Рассчитать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого конденсатора смеси паров хладона R12 и паров воды.
Удельная теплота конденсации , температура конденсации 19?С.
Физико-химические свойства конденсата при температуре конденсации:
Тепло конденсации отводится водой с начальной температурой примем температуру воды на выходе из конденсатора , вода имеет следующие физико-химические свойства: Тепловая нагрузка аппарата: Расход воды: Средняя разность температур
В соответствии с таблицей 2.1 [3] примем .
Ориентировочное значение поверхности теплопередачи: Выбираем по [4] конденсатор типа КГР-85: ; ; число ходов ; общее число труб ; длина труб ; площадь теплопередачи .
Уточненный расчет поверхности теплопередачи.
Коэффициент теплопередачи найдем по формуле:
где - коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности пучка из n горизонтальных труб;
- коэффициент теплоотдачи к воде;
- сумма термических сопротивлений стенки труб из меди и загрязнений со стороны воды и пара [3].
, здесь - поправочный коэффициент ( при ).
;
Nu - критерий Нуссельта, который определяется числом Рейнольдса.
.
Режим течения турбулентный, значит: Перепишем последнюю формулу с учетом : Для газов поправкой можно пренебречь, Тогда Сумму термических сопротивлений найдем по формуле:
где - толщина стенок труб ( );
- теплопроводность материала стенки ( );
; - термическое сопротивление слоев загрязнений с обоих сторон стенки ( ; ) [1].
, Тогда Требуемая поверхность теплопередачи: Запас поверхности теплопередачи
.
Гидравлическое сопротивление рассчитывается по формуле:
Скорость воды в трубах: ;
- отношение шероховатости труб.
Примем [3]: Скорость воды в штуцерах: .
- диаметр условного прохода штуцеров ( [4])
4. Конструктивный тепловой расчет испарителя
Горизонтальный испаритель: Размеры трубы: ; длина трубы (ГОСТ 15122-19);
По справочнику по теплообменным аппаратам: Относительная влажность воздуха ;
Заполнение батареи ;
Высота и толщина ребра 46Х1мм;
Шаг между ребрами 35,7мм.
Рис. 5. Схема движения теплоносителя в батарее.
;
Определим средние температуры отдающей и воспринимающей теплоту сред: Коэффициент теплоотдачи со стороны жидкого холодильного агента при условии его течения в трубе:
Критерий Нуссельта: ;
Критерий Рейнольдса: ;
Эквивалентный диаметр где - живое сечение струи, .
- смоченный периметр струи ( определяется в зависимости от заполнения трубы): - средняя скорость движения жидкости.
.
Средняя высота уровня хладона R12: , центральный угол ( с учетом ).
Расход хладона R12 определим: ;
- длина трубы, м;
- внутренний диаметр трубы, м;
- критическая длина трубы, м;
Для воды при температуре и диаметре 38х3мм
- кинетическая вязкость воды при давлении насыщения при ; , при
Гидравлический радиус трубы при ее полном заполнении: , где .
Начальный уровень хладона:
Расход хладона:
Средняя скорость движения хладона R12
Для хладона R12 при
Коэффициент теплопроводности жидкого хладона по [1, табл. 8п]: , тогда Коэффициент теплоотдачи со стороны пара
Поскольку с внутренней стороны трубы ребра отсутствуют, то и .
Определим конвективный коэффициент теплоотдачи трубы со стороны воздуха и поверхности трубы.
- наружный диаметр трубы.
Критерий Нуссельта: .
Задаемся температурой наружной стенки трубы , определяющая температура: Для воздуха при этой температуре
Показатель степени n и значение коэффициента с определим по величине произведения ; с=0,5 и n=1/4/
Определим долю влажного теплообмена для трубы через коэффициент влаговыпадения [1].
Определим коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха к ребру: ;
Задаемся средней температурой стенки ребра .
Определяющая температура воздуха:
Для :
Для учета влажного теплообмена принимаем по [1] коэффициент влаговыпадения для ребра .
Площадь наружной поверхности ребра: ;
Где - диаметр ребра;
- расстояние между ребрами;
- толщина ребра.
.
Площадь наружной поверхности трубы между ребрами: Площадь наружной поверхности ребристого элемента: .
Площадь внутренней поверхности ребристого элемента: , Поскольку внутреннее оребрение отсутствует, то .
, где - внутренний диаметр трубы.
Средняя температура стенки ребристого элемента: Коэффициент теплоотдачи радиацией:
где - приведенный коэффициент черноты: - коэффициент черноты стали;
- коэффициент черноты штукатурки.
.
Коэффициент облученности находим в зависимости от отношений: ; .
Этим значениям соответствует .
Поправочный множитель находим по отношению расстояния между трубами к диаметру ребра
Полный коэффициент облученности будет равен
, тогда Определим коэффициент теплоотдачи конвекцией с учетом влаговыпадений.
Коэффициент теплоотдачи трубы
Коэффициент теплоотдачи ребра: Степень эффективности ребра: , По условию задания внутри трубы ребра отсутствуют, тогда . Определим для данных условий коэффициент теплопередачи с учетом отложений инея при условии, что Площадь поверхности ребра с учетом инея: ;
.
Площадь поверхности трубы между ребрами с учетом инея: .
Определяем термическое сопротивление отложений на ребре и несущей поверхности
Определяем коэффициент эффективности ребра с учетом отложений:
где
.
Контактное термическое сопротивление [1].
Приведенный коэффициент теплоотдачи:
, где
Полный приведенный коэффициент теплоотдачи с учетом радиации: Коэффициент теплоотдачи радиации с учетом осевшего инея: Тогда приведенный коэффициент теплоотдачи: .
При заданной длине батареи и оребренной части количество ребристых элементов: или .
Площадь поверхности оребренной батареи: .
Коэффициент теплоотдачи батареи на участке трубы, омываемой жидким хладоном R12: ;
Коэффициент теплоотдачи батареей на участке трубы омываемой парообразным хладоном R12: ;
, Где - термическое сопротивление многослойной несущей стенки
, , Где ; ; .
При заполнении батареи на 20% коэффициентов теплоотдачи: Количество теплоты, отведенной батареей: Массовый расход хладона R12 через батарею: .
Массовый расход воздуха: Общий коэффициент охлаждения: При изменении агрегатного состояния . парокомпрессорный холодильный установка
5. Термический расчет компрессора
Хладон R12 на входе в компрессор имеет давление: Степень повышения давления: - число ступеней - 1.
Массовый и объемный расход пара: ;
По [4] при ,коэффициент теплоотдачи компрессора .
Объем компрессора:
p-v диаграмма цикла
Точка 1: Объем хладона в начале сжатия находим, используя характеристики компрессора: ;
Рабочий объем :
Где - относительный объем мертвого пространства;
- коэффициент герметичности;
- частота вращения;
- объемная подача.
;
Масса хладона в начале сжатия: .
Точка 2.
Процесс 1-2. политропный.
;
;
Удельный объем: .
Точка 3.
;
;
;
;
Точка 4.
Процесс 1-2. политропный.
;
;
.
Количество выталкиваемого за цикл хладона: .
В действительности температура в точке 1 не равна , а является температурой адиабатного смещения хладона с и хладона . Поэтому рассчитаем величину во втором приближении, принимая, что ранее приведенное значение - первое приближение: .
Рассчитаем термодинамические процессы.
Процесс 1-2.
;
;
Работа политропного процесса 1-2: или .
.
Тепло за процесс 1-2: .
Изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии: ;
;
.
Процесс 2-3.
Протекает с изменением массы хладона в цилиндре, поэтому для него можно рассчитать только работу выталкивания: .
Процесс 3-4. политропный.
;
;
;
;
;
;
Процесс 4-1.
.
Рассчитаем теперь энтропию в характерных точках цикла:
Где - средняя теплоемкость хладона.
; - температура и давления хладона, при которых условию величина энтропии принимается за 0.
;
.
Теоретическая мощность:
где - работа, затраченная на привод компрессора.
.
Действительная мощность компрессора: , где - индикаторный КПД для компрессоров, работающих на хладоне [8].
.
Эффективная мощность компрессора:
где - механический КПД, учитывающий потери на трение.
.
Выбираем поршневой компрессор фирмы «Нуаво-Пиньонэ»: Поршневая сила ;
Частота вращения ;
Ход поршня ;
Средняя скорость поршня .
6. Подбор типа и типоразмера циркуляционного насоса для системы охлаждения конденсатора
Циркуляционные насосы для системы охлаждения подбираем по расходу охлаждающей воды и необходимому напору.
Расход охлаждающей воды: .
Необходимый напор:
- гидравлическое сопротивление;
- плотность воды;
.
Подача насоса: .
Выбираем центробежный насос консольного типа марки 22НСГ-500/20: Подача насоса - ;