Розрахунок та проектування холодильної установки для охолодження харчових продуктів

Розрахункова температура конденсації, необхідна для проектування холодильної  установки, залежить від обраної  системи охолодження конденсаторів. На відміну від температури охолоджуваних  об'єктів, що не залежить звичайно від пори року, температура середовища відводу теплоти в більшості випадків зазнає сезонні зміни, що викликають відповідно зміни температури конденсації холодоагенту. Так як теплопритоки в охолоджувані приміщення обчислюють для певного розрахункового періоду, то і температуру конденсації слід знаходити для цього ж періоду. Відомості про температуру води в природних джерелах можуть бути знайдені в кліматологічних довідниках, а при їх відсутності її можна приймати рівною середньомісячній температурі повітря в даній місцевості. Температуру ж повітря, що надходить на охолодження конденсаторів, слід приймати рівній розрахунковій температурі зовнішнього повітря

Доцільно визначати  температуру конденсації для  конденсаторів, охолоджуваних водою, за виразом tK = tw2 + (2/3 К); величину нагріву води в конденсаторі Δtw = tW2 - tw1 доводиться вибирати залежно від вартості води і можливостей джерела водопостачання. Якщо при прямоточній системі водопостачання використовується дешева і наявна в достатній кількості вода, то її можна нагрівати в конденсаторі на 2-5 К. Такий же перепад температур води Δtw приймають і в системі оборотного водопостачання. Якщо ж вода дорога або дебіт її обмежений, то воду слід нагрівати в конденсаторі на 6 - 10К.

В апаратах з повітряним охолодженням, повітря зазвичай нагрівається на 4-6 К, тобто tB2 - tBl = 4 / 6 К. Щоб компенсувати в деякій мірі погіршену тепловіддачу в конденсаторах з повітряним охолодженням, доводиться передбачати підвищену різницю температур 0 між конденсуючим холодоагентом і повітрям,що протікає. В цьому випадку температуру конденсації приймають tK = tв2 + (8/12 К). Тому температура конденсації виявляється досить високою (до 50-55 ° С). Температурі конденсації 50 ° С для агента R22 відповідає тиск 1,94 МПа, для аміаку - 2,07 МПа. Такі високі робочі тиску змушують пред'являти підвищені вимоги до компресорів та апаратів холодильної установки. У зв'язку з цим нові компресори, освоєні вітчизняними заводами, випускаються на робочі тиски 2,0 і 2,5 МПа і на різницю тисків конденсації і кипіння 1,7 і 2,1 МПа. В деяких випадках можна знизити робочий тиск в холодильній установці вибором холодоагенту, що має більш низький тиск насиченої пари (наприклад, для R142 воно становить 0,71 МПа при 50 ° С).

 

1.2. Системи охолодження

Системою охолодження називають ту частину холодильної установки, яка розташована між регулюючим вентилем і всмоктуючим патрубком компресора. Вона складається з апаратів, трубопроводів, і допоміжних елементів. Призначення системи охолодження - підтримувати заданий температурний та вологісний режим в камерах.

Кожна охолоджуюча система включає  в себе систему розподілу робочої  речовини по споживачах холоду і систему  відводу теплоти від споживачів холоду.

До охолоджуючих систем пред'являють наступні основні вимоги:

• розподіл робочої речовини по всім споживачам холоду, пропорційне їх тепловим навантаженням; при цьому прилади охолодження повинні працювати з максимальною ефективністю при їх мінімальній металоємності;
• надійне підтримання заданого технологічного режиму в охолоджуваних об'єктах (холодильні камери, технологічні апарати різного призначення);
• безпека експлуатації (більшість аварій або аварійних ситуацій на холодильних установках відбувається через ряд конструктивних недоліків охолоджуючої системи або неправильної її експлуатації);
• простота і гнучкість експлуатації - зручність перемикань споживачів холоду, наочність схеми, простота і зручність очищення її від забруднень, масла, їжею;
• економічність як за первинними витратами, так і в процесі експлуатації.

Охолоджуючі системи класифікують за способом розподілу робочої речовини по споживачах холоду і за способом відведення теплоти від споживачів холоду.

За першою ознакою  розрізняють системи безпосереднього  охолодження (безнасосного та насосні) і системи з рідкими холодоносієм відкритого або закритого типу.

Охолоджуючі системи класифікують за способом розподілу робочої речовини по споживачах холоду і за способом відведення теплоти від споживачів холоду.

Відведення теплоти від охолоджуваних  об'єктів і продуктів може здійснюватися охолоджуючими системами при різних умовах. У кожному конкретному випадку залежно від умов відведення теплоти до назви системи додають її характеристику за цією ознакою. Так, якщо відвод теплоти здійснюється насосно-циркуляційною системою при природній конвекції за допомогою батарей, то до назви системи - насосно-циркуляційна додають слова «з батарейним охолоджуванням».

Якщо в камерах та апаратах створюють  штучну циркуляцію повітря, то можливі  три випадки: повітря омиває нерухомий  продукт; охолоджується рухливий шар продукту; охолоджується нерухомий продукт в умовах омивання його повітрям і насадкою.

Якщо продукт охолоджується  безпосередньо в контакті з рідиною, то системи називають системами  з контактним охолодженням (в кріогенних рідинах). Якщо продукт охолоджується при непрямому контакті з середовищем відводу теплоти, системи (або апарати) називають системами плиткового охолодження; якщо продукт охолоджується за допомогою променистого теплообміну в повітряному середовищі, систему називають системою радіаційно-повітряного охолодження; якщо охолодження здійснюється за допомогою променевого теплообміну з тепловідводом від продукту або без нього в вакуумі - системою сублімаційного охолодження.

 Коли відвід теплоти від продуктів та огороджувальних конструкцій холодильника здійснюється роздільно, тобто зовнішні теплоприпливи по відношенню до охолоджуваного об'єкту «перехоплюються» спеціальними пристроями, то їх називають системами з не камерним відведенням зовнішніх теплопритоків.

Безнасосна система безпосереднього охолодження складається з приладів охолодження, в які холодоагент поступає безпосередньо від регулюючого вентиля. Вона включає в себе всі елементи, складові низькотемпературну частину холодильної установки.

Насосно-циркуляційна система безпосереднього охолодження складається з приладів охолодження, в яких циркуляція рідкого холодоагенту в низькотемпературному контурі здійснюється за допомогою спеціального насоса.

Система з проміжним  холодоносієм відрізняється від  описаних тим, що в її приладах охолодження циркулює рідина, охолоджувана в випарниках холодильної установки. Охолоджена рідина з випарника за допомогою циркуляційного насоса подається в прилади охолодження камер, звідки після підігріву вона знову повертається у випарник. Холодоносій може перебувати в безпосередньому контакті з охолоджуваним повітрям (мокрі повітроохолоджувачі) або циркулювати в трубах (сухі повітроохолоджувачі).

Система змішаного охолодження - це сукупність систем батарейного  і повітряного охолодження, які залежно від заданого режиму роботи камери можуть діяти одночасно або окремо. Кожна з перелічених систем охолодження має свою область застосування, яка визначається вимогами холодильної технології та техніко-економічними розрахунками. Так, наприклад, при батарейному охолодженні загальна довжина труб часто обчислюється десятками кілометрів, і їх маса складає до 80% маси всього металу, що витрачається на холодильну установку в цілому.

 Найчастіше вибір  системи охолодження визначається  на підставі техніко-економічного зіставлення різних систем з урахуванням витрат на капіталовкладення холодильника і його експлуатаційні витрати, за умови задоволення основних вимог, що пред'являються до охолоджуючих систем.

 

 

 

 

 

 

 

2. Розрахунково – конструкторська  частина

 

Вихідні данні: Розрахувати  та спроектувати холодильну установку  для охолодження харчових продуктів. Холодопродуктивність компресора          Qo = 168 кВт = 604800 (кДж/годину), температура кипіння робочого тіла (холодоагента), to = -15 ⁰C, температура кондексації tk = 30 ⁰C , температура перед регулюючим вентилем  t = 25 ⁰C. Робоче тіло аміак.

 

Таблиця 1.

 

Наймену- вання	Хімічна форму- ла	Моле- куляр- на вага	Температу- ра кипіння , ˚С при 1 атм	Критич- на тем- пература,        в  ˚С	Критич - ний тиск,  атм	Темпе- ратура твердін-ня, ˚С
Аміак	NHз	17	- 38.4	+ 132.9	112.3	- 77.7
Фреон-22	CHF2Cl	86.48	- 40.8	+ 96.0	50.4	- 160.0

Таблиця 2.  Параметри  вузлових крапок циклу.

 

Робоче тіло	t ˚C	t0 ˚С	t1 ˚С	t4  ˚C	P      атм	і1 кДж/г	і2   кДж/кг	і¢4 кДж/кг	Ư1 м3/кг	Δtпер град	Р0 атм
Аміак	30	-15	-10	25	11.9	1678	1917	537	0.53	5	2.41
Фреон	30	-15	-10	25	12.2	622.6	657	451.3	0.079	5	3.03

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1. Тепловий розрахунок  апарата

 

Визначаєма величина і формула розрахунку	Аміак
Холодопродуктивність  робочого тіла, кДж/кг qo  = i1 – i3	qo = 1678-537=1141 кДж/кг
Кількість циркулюючого робочого тіла, кг/годину G = Q0/q0	G = 604800/1141 = 530 кг/годину
Дійсний годинний об’єм , м3/годину Vq = G * Ư1	Vq = 530*0,53 = 280,9 м3/годину
Адіабатна робота ,кДж/кг Lад =  і2 - і1	Lад = 1917-1678 = 239 кДж/кг
Адіабатна потужність , кВт Nад = G * Lад /3600	Nад = 530*239/3600 = 35,2 = кВт
Прийнята величина відносно мертвого простору компресора , %                  С =	С = 6.0
Відношення тиску в  прийнятому режимі роботи компресора,                    σ = P/Po	σ = 11,9/2,41 = 4,94
Коефіцієнт об’ємних втрат  lі. Приймає втрати на всмоктуванні ΔРо = 0.05 атм = 4900Па на нагнітанні   ΔР =0.1атм = 9800 Па lі = (ΔРо - ΔРо )/Ро – С * [(P+ΔP)/Pо – (Ро-ΔРо) /Po]	lі = (2.41 – 0.05)/2.41 -0.06* *[(11.9+0.1) /2.41- (2.41 – 0.05)/ /2.41] = 0.739
Коефіцієнт підігріву  l¢w = To/T	l¢w = 258 / 303 = 0.851
Коефіцієнт подачі  l = lі  * l¢w	l = 0,739*0,851= 0,629

 

 

Питома ефективна холодопродуктивність машини , кДж/кВт * год Ке = Qo/Ne	Ke = 604800/47,87 = = 12634,22 кДж/кВт * год
Теоретичний середній індикаторний тиск Рі тер = qυ*36,72/Ке де 36.72 – коефіцієнт перерахунку кВт год в атм	Рі = 2152,8*36,72 /12634,22 = = 6,26 атм

Об’єм , описаний поршнем  компресора, м3/годину  Vn = Vq/l	Vn = 280,9 / 0,629= 446,58 м3/годину
Індикаторний ККД ŋі = lٰw + в*to  де  в = 0.001	ŋі = 0,851 + 0,001 * (-15) = 0,836
Індикаторна потужність, кВт Nі = Nа/ŋі	Nі = 34/0.836 = 40.67 кВт
Потужність втрачаєма  на тертя , кВт Nтер = Рі тер * Vn/1000 *3600 Рі тер = 0.6 * 105 Па =0.6 атм   – експериментальне значення  втрат тиску	Nтер = 0.6 *105 * 432/ /1000 * 3600 = 7,2 кВт
Ефективна потужність , кВт Nе = Nі + Nтер	Nе = 40,67 + 7,2 = 47,87 кВт
Приймаємо середню швидкість  руху ,      Сm, м/с.  число циліндрів , шт. 1	3.4 4.0
Діаметри циліндра , Д , м Д = 1413 – коефіцієнт перерахунку	Д = √ 446,58/4 * 3.4 * 1413 = = 0,152 м
Прийнятий діаметр	150
Прийняте відношення  y = S/Д	0.8
Хід поршня , S , мм	135
Число обертів вала компресора , об/хвил n = 30 Cm/S	n = 30 * 3.4/0.135 = 755 об/хв
Об’єм , описуємий поршнем компресора м3/годину Vn= p*Д2/4 * S * n* і *60	Vn = 3.14 * 0.152/4 * * 0.135 * 755 * 4 * 60 = = 432 м3/годину
Об’ємна холодопродуктивність , кДж/м3 qƯ  = qo/Ư1	qƯ = 1141/0.53 = = 2152,8 кДж/м3

 

 

Уточнення потужності електродвигуна.

 

Індикаторна потужність компресора , кВт Nі = Рі * Vn/36.72	Nі = 6,26 * 432/36.72 = = 73,65 кВт
Потужність на тертя , кВт Nтер = Рі тер * Vn/36.72	Nтер = 0.6 * 432/36.72 = 7.06 кВт
Ефективна потужність , кВт Ne = Nі + Nтер	Ne = 73,65 + 7,06 = 80,71 кВт
По додаткам вибираємо марку компресора (додаток А)	АУ – 200 h = 960 об/хв. Vn = 528 м3/год Qo = 838000 кДж/год
Вибір електродвигуна : N , n , тип	По даним  додатка (В,Г) вибираємо електродвигун асинхронний,трьохфазний 4А 280М643 N = 90 кВт n = 985 об/хв