Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Розрахунок холодильної шафи для системи енергозабезпечення холодом підприємств громадського харчування
Вихідні дані:
Холодопродуктивність Q0 = 700ккал/год, корисний об’єм V=0,6м³, максимальне завантаження продуктами m=125кг.
ВВЕДЕНИЕ
Тысячелетиями человечество удовлетворяло потребности в холоде за счет естественного охлаждения, используя лед и снег. Только в 80-х годах XIX века сформировались основы современных методов получения искусственного холода. Дальше холодильное дело развивалось стремительно. Меньше чем за сто лет создано огромное количество разновидностей холодильных установок. Только основных физических явлений, используемых в технике для осуществления искусственного охлаждения, существует более десяти. Наиболее распространенными являются фазовые превращения, расширение сжатого газа, дросселирование, вихревой эффект (труба Ранка), термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье).
В настоящее время холод стал непременным элементом современного быта, область его использования широка. Так, в 2000 году в мире было произведено 100 млн. стационарных и 35 млн. транспортных холодильных установок.
Энергетика и производство холода неразрывно связаны между собой. Искусственное охлаждение (т.е. охлаждение ниже температуры окружающей среды) может производиться только с затратой энергии, расходуемой на привод холодильной машины. Потребляемая мощность современных холодильных машин колеблется от нескольких десятков ватт до тысяч киловатт. Часовая холодопроизводительность крупных холодильных установок составляет от сотен тысяч до нескольких миллионов Кдж.
Соответственно, и затраты электроэнергии значительны. Чтобы уменьшить потребление электроэнергии, в прошедшее столетие человечество стремилось создавать более совершенное холодильное оборудование, отличающееся более высокой энергетической эффективностью, не задумываясь об экологических аспектах эксплуатации холодильной техники. В результате с 30-х годов XX века и до настоящего времени в бытовых и промышленных холодильных установках (а также кондиционировании воздуха) нашли широкое применение фреоновые парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ).
Однако эмиссия применяемых в ПКХМ в качестве рабочих тел фреонов на рубеже XXI века привела к обострению глобальных проблем: уменьшению озонового слоя Земли, усилению «парникового эффекта» и т.д.
В 1980-90-х годах было принято несколько крупных международных законопроектов, которые ужесточили требования к современным системам, генерирующим холод, и были направлены на улучшение экологической ситуации в связи с опасностью разрушения озонового слоя и глобальным потеплением.
Целью данной работы является расчет и усовершенствования холодильных установок для систем энергообеспечения холодом, которые выпускаются отечественной промышленностью.
В процессах умеренного охлаждения применяются переносчики тепла (хладоагенты), которые позволяют проводить охлаждение до температур порядка —50° С.
В зависимости от применяемых способов сжатия хладоагента и изме нения его состояния в рабочем цикле холодильные машины делят на следующие группы:
Парокомпрессионные холодильные машины — наиболее распространённые и универсальные. Основными элементами машин данного типа являются испаритель, холодильный компрессор, конденсатор и терморегулирующий (дроссельный) вентиль — ТРВ, которые соединены трубопроводом, снабженным запорной, регулирующей и предохранительной арматурой.
Рисунок 1 - Схема парокомпрессионной холодиль ной машины: а — компрессор;
б — конденсатор; в — дросселирующий вентиль; г — испаритель .
Ко всем элементам холодильной машины предъявляется требование высокой герметичности. В зависимости от вида холодильного компрессора парокомпрессионные машины подразделяются на: поршневые, турбокомпрессорные, ротационные и винтовые.
В парокомпрессионной холодильной машине осуществляется замкнутый цикл циркуляции хладагента. В испарителе хладагент кипит (испаряется) при пониженном давлении и низкой температуре. Необходимая для кипения теплота отнимается от охлаждаемого тела, вследствие чего его температура понижается (вплоть до температуры кипения хладоагента). Образовавшийся пар отсасывается компрессором, сжимается в нём до давления конденсации и подаётся в конденсатор, где охлаждается водой или воздухом. Вследствие отвода теплоты от пара он конденсируется. Полученный жидкий хладоагент через ТРВ, в котором происходит снижение его температуры и давления, возвращается в испаритель для повторного испарения, замыкая таким образом цикл работы машины. Для повышения экономической эффективности холодильной машины (снижения затрат энергии на единицу отнятого от охлаждаемого тела количества теплоты) иногда перегревают пар, всасываемый компрессором, и переохлаждают жидкость перед дросселированием. По этой же причине для получения температур ниже −30°С используют многоступенчатые или каскадные холодильные машины. В многоступенчатых холодильных машин сжатие пара производится последовательно в несколько ступеней с охлаждением его между отдельными ступенями. При этом в двухступенчатых холодильных машинах получают температуру кипения хладагента до −80°С. В каскадных холодильных машинах, представляющих собой несколько последовательно включенных холодильных машин, которые работают на различных, наиболее подходящих по своим термодинамическим свойствам для заданных температурных условий хладагентах, получают температуру кипения до −150°С.
Газокомпрессионные холодильные машины по принципу действия отличаются от парокомпрессионных тем, что хладоагент в рабочем цикле газокомпрессионных машин не конденсируется и не испаряется, следовательно, изобары в обращенном цикле Карно не соответствуют изотермам. Хладоагентом в этих машинах обычно служит воздух.
Схема газокомпрессионной холодильной машины показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема газокомпрессионной холодильной машины: а — компрессор;
б — холодильник; в — детандер (расширительная машина); г — теплообменник.
Воздух сжимается компрессором а, и температура его повышается. Далее следует охлаждение его водой в холодильнике б; охлажденный воздух адиабатически расширяется в детандере в, при этом температура его снижается. Из детандера охлажденный воздух поступает в теплообменник г, где отнимает тепло (на низшем температурном уровне), при этом нагреваясь.
Абсорбционная холодильная машина состоит из кипятильника, конденсатора, испарителя, абсорбера, насоса и ТРВ. Схема абсорбционной холодильной машины изображена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Схема абсорбционной холодильной машины: 1 — испаритель; 2 — абсорбер;
3 — насос; 4 — терморегулирующий вентиль; 5 — кипятильник; 6 — конденсатор.
Рабочим веществом в абсорбционных холодильных машин служат растворы двух компонентов (бинарные растворы) с различными температурами кипения при одинаковом давлении. Компонент, кипящий при более низкой температуре, выполняет функцию хладоагента; второй служит абсорбентом (поглотителем). В области температур от 0 до −45°С применяются машины, где рабочим веществом служит водный раствор аммиака (хладоагент — аммиак). При температурах охлаждения выше 0°С преимущественно используют абсорбционные машины, работающие на водном растворе бромида лития (хладоагент — вода). В испарителе абсорбционной холодильной машины происходит испарение хладоагента за счёт теплоты, отнимаемой от охлаждаемого тела. Образующиеся при этом пары поглощаются в абсорбере. Полученный концентрированный раствор перекачивается насосом в кипятильник, где за счёт подвода тепловой энергии от внешнего источника из него выпаривается хладоагент, а оставшийся раствор вновь возвращается в абсорбер. Что касается газообразного хладоагента, то он из кипятильника направляется в конденсатор, конденсируется там и затем поступает через ТРВ в испаритель на повторное испарение. Применение абсорбционных машин весьма выгодно на предприятиях, где имеются вторичные энергоресурсы (отработанный пар, горячая вода, отходящие газы промышленных печей и т. д.). Абсорбционные холодильные машины изготавливают одно- или двухступенчатыми.
Пароэжекторные холодильные машины состоит из эжектора, испарителя, конденсатора, насоса и ТРВ. Хладагентом служит вода, в качестве источника энергии используется пар давлением 0,7…1,0 МПа, который поступает в сопло эжектора, где расширяется. В результате в эжекторе и, как следствие, в испарителе машины создаётся пониженное давление, которому соответствует температура кипения воды несколько выше 0°С (обычно порядка 5°С). В испарителе за счёт частичного испарения происходит охлаждение подаваемой потребителю холода воды. Отсосанный из испарителя пар, а также рабочий пар эжектора поступает в конденсатор, где переходит в жидкое состояние, отдавая теплоту охлаждающей среде. Часть воды из конденсатора подаётся в испаритель для пополнения убыли охлаждаемой воды.
Рисунок 4 – Схема пароэжекторной холодильной машины: 1 — эжектор; 2 — испаритель;
3 — потребитель холода; 4 — насос; 5 — терморегулирующий вентиль; 6 — конденсатор.
Обязательным условием для работы пароэжекторных машин является наличие значительного количества водяного пара давлением 0,7…1,0 МПа. Если для его получения сооружать специально паровой котел, то пропадет преимущество простоты и дешевизны пароэжекторной машины. Поэтому их эксплуатируют, как правило, только там, где уже имеется источник водяного пара нужных параметров, причем в избытке, чтобы его хватало и для основного объекта, для холодильной машины. Такие условия имеются, например, на судах с крупными паротурбинными установками. В основном же пароэжекторные машины распространены на больших строительных объектах, где есть собственная котельная и имеется нужда в холоде.
Газокомпрессионные холодильные установки требуют применения крупногабаритных компрессоров и невыгодно отличаются повышен ными расходами энергии. По этим причинам они в настоящее время не используются в химических производствах.
Абсорбционные машины просты по конструкции (кроме насосов для перекачки жидкости, в них нет других движущихся механизмов), дешевы в изготовлении, надежны, малошумны. Их можно размещать вне помещений: на открытых площадках под легкими навесами для защиты от осадков. Главный недостаток — невысокая энергетическая эффективность. Для выработки одинакового количества холода абсорбционным холодильным машинам требуется больше энергии, чем парокомпрессионным.
Пароэжекторные холодильные машины обладают примерно теми же достоинствами, что и абсорбционные. Недостатки: большой шум при работе эжектора, еще более низкая, чем у абсорбционных машин, энергетическая эффективность, возможность охлаждать объект лишь до нескольких градусов выше нуля из-за использования воды в качестве хладагента. Вследствие этих недостатков пароэжекторные машины имеют довольно ограниченную область применения. Их используют там, где важна простота эксплуатации и надежность холодильной машины, а повышенными энергетическими потерями можно пренебречь.
Наибольшее распространение в области умеренного холода получили парокомпрессионные холодильные машины. Именно они составляют наибольшую (можно сказать подавляющую) часть парка всех работающих в мире холодильных машин. У них по сравнению с машинами других типов более высокий (при прочих равных условиях) холодильный коэффициент и наименьший расход энергии при эксплуатации. Также парокомпрессионные холодильные машины значительно компактнее абсорбционных и для их изготовления требуется меньше металла.
Холодильная машина в комплекте с охлаждаемым объектом (шкаф, прилавок, витрина, сборно-разборная камера и др.) составляет холодильную установку. Для охлаждения шкафов, прилавков, витрин, сборно-разбор ных камер применяют автоматические фреоновые холо дильные машины с непосредственным охлаждением. Наи более широко распространены холодильные машины ФАК-0,7Е, ФАК-1,1Е, ФАК-1,5МЗ, ФГК-0,45 (ВС-0,45-3), ФГК-0,7 (ВС-0,7-3), ВН-0,55-3, ХМС-1,1, ВС-0,35-1 и др.
В составе парокомпрессионных холодильных машин применяются компрессоры таких типов:
Машина такого типа представляет собой замкнутую герметическую систему и состоит из четырех основных узлов: компрессора, конденсатора, регулирующего вен тиля и испарителя (рис. 5).
Рисунок 5 – Схема холодильной машины: 1 — компрессор; 2 — конденсатор;
3— терморегулирующий вентиль; 4— испаритель
Холодильный компрессор, входящий в состав холодильной парокомпрессионной машины, служит для отсасывания паров хладоагента из испарителя и нагнетания их в конденсатор.
В составе парокомпрессионной холодильной машины применяется поршневой компрессор.
Испаритель – теплообменник, состоящий из рядов трубок, по которым протекает хладоагент, а между ребрами испарителя циркулирует воздух рабочей среды. Предназначен для испарения хладоагента и охлаждения рабочей среды.
Конденсатор служит для конденсации паров хладоагента и передачи тепла через стенки воздуху, обдуваемому стенки конденсатора. Для улучшения теплообмена предусмотрена принудительная конвекция воздуха.
Терморегулирующий вентиль предназначен для дросселирования хладоагента с понижением его давления и температуры.
Охлаждение камеры происходит следующим обра зом. Холодильный агент (фреон-12), циркулирующий внутри замкнутой системы, поступает в находящийся в камере испаритель и, отбирая тепло у воздуха, кипит, понижая в ней температуру.
Компрессор, отсасывая образовавшиеся в испарителе пары фреона, поддерживает в нем низкое давление—это необходимое условие для кипения холодильного агента при низкой температуре. Для превращения холодиль ного агента в жидкое состояние компрессор сжимает и выталкивает пары в конденсатор, где они охлаждаются и превращаются в жидкость. Жидкий фреон под давле нием конденсации поступает к регулирующему вентилю, где он дросселируется и поступает в испаритель. Здесь он снова кипит и отбирает тепло от окружающей среды. Для автоматической работы холодильной машины при меняется регулятор давления РД-1, который автомати чески включает и выключает электродвигатель ком прессора, поддерживая тем самым заданную температу ру в охлаждаемой камере. Для защиты электродвигателя от перегрузки, токов короткого замыкания, а также для ручного выключения машины устанавливается автоматический прибор типа АП-50 ЗМТ. При отсутствии этого прибора в магнитном пускателе устанавливается тепловое реле, а перед ним — калиброванные плавкие предохранители и рубильник.
Техническая характеристика
4. Расчет основных показателей технической эффективности
1. Построим холодильный цикл на T-S диаграмме для фреона-12
t1 =15 оС
t2 =50 оС
t3 =20 оС
t4 =-5 оС
Рисунок 6 – Холодильный цикл
Обозначим:
h1 – энтальпия пара на входе в компрессор;
h2 – энтальпия пара после сжатия в компрессоре;
h’3 – энтальпия жидкости после конденсации в конденсаторе;
h3 – энтальпия жидкости после переохлаждения;
h4 – энтальпия хладоагента после дросселирования.
2. Количество тепла, отнимаемое при испарении 1кг хладоагента, или удельная холодопроизводительность, кДж/кг:
,
где Q0 – холодопроизводительность холодильной машины в кДж/ч.
кДж/ч=700ккал/ч
5. Расчет тепловой изоляции холодильного шкафа
Расчет толщины теплоизоляционного слоя произведем по нормированной плотности теплового потока через изолирующую поверхность.
Толщина теплоизоляционного слоя, м:
где – теплопроводность теплоизоляционного слоя, Вт/(м·°С);
– термическое сопротивление теплоизоляционной конструкции, м²·°С/Вт.
где – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции, Вт/( м²·°С);
– термическое сопротивление неметаллической стенки объекта, м²·°С/Вт;
– сопротивление теплопередачи теплоизоляционной конструкции, м²·°С/Вт.
где – температура внутри камеры, °С;
– температура окружающей среды, °С;
– нормированная поверхностная плотность теплового потока, Вт/м²;
– коэффициент, учитывающий изменение стоимости теплоты и теплоизоляционной конструкции в зависимости от района и места установки оборудования.
Для данного региона и способа установки=1, =0°С, =20°С, =19 Вт/м²
м²·°С/Вт
Так как неметаллические стенки отсутствуют, то можно пренебречь. Выбираем из таблицы =11 Вт/( м²·°С)
м²·°С/Вт
Для теплоизоляции используем минераловату с =0,054 Вт/(м·°С)
м
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Константинова. - К.: Вища шк. Головное изд-во, 1986.- 255 с.
Каган.– М.: издательство «Химия», 1967.- 848 с.
Нефтехимической технологии. Изд. 2-е, доп., перераб., – М.: «Химия», 1972.-496с.