Расчет и выбор оборудования компрессионных холодильных установок
Введение
Холодильные
машины различают:
по
способу получения холода - компрессионные и абсорбционные;
по
холодильному агенту - фреоновые, аммиачные и др.;
по
холодопроизводительности - малые, средние и крупные.
В бытовых холодильниках устанавливают самые малые (мелкие)
холодильные машины.
Компрессионные холодильные машины отличаются также друг от
друга степенью герметизации. В бытовых холодильниках уже много лет применяют
исключительно герметичные холодильные машины, или, как их называют, герметичные
холодильные агрегаты. В таких агрегатах отсутствуют какие-либо разъемные
соединения наружных частей. Все отдельные узлы соединены снаружи сваркой или
пайкой.
Абсорбционные холодильные машины бывают непрерывного и
периодического действия. Машины непрерывного действия, в свою очередь,
разделяют на насосные и безнасосные. Безнасосные машины называются
абсорбционно-диффузионными.
В бытовых холодильниках абсорбционного типа используют
исключительно абсорбционно-диффузионные машины (агрегаты).
Схема станции
Рисунок 1 - схема компрессионной станции
. Винтовой компрессор
. Ресивер
. Предохранительный клапан
. Керамический фильтр (3 микрон)
. Осушитель воздуха
. Клапан BY-PASS
. Абсорбирующий фильтр (0,01 микрон)
. Угольный фильтр (0,003 микрона)
. Сепаратор воды и масла
. Клапан слива конденсата
1.
Расчет компрессионной холодильной установки
Определение температурных границ холодильного
цикла
Исходными данными для проектирования являются:
- холодопроизводительность установки 380 кВт;
- температура ХН на выходе из испарителя ;
хладагент R22;
регион расположения г. Саратов.
Для того, чтобы определить температуру воды, охлаждающей
конденсатор , необходимо определить температуру
мокрого термометра tМ. Для этого, по СНиПу «Строительная климатология» определяем по
своему городу окружающую температуру воздуха в самую жаркую 5-ти дневку и
значение относительной влажности. Затем по психометрической диаграмме
(Методические указания к курсовой работе «Расчет водоохлаждающих устройств»)
определяем температуру мокрого термометра. При этом, при расчете температуры
воды, охлаждающей конденсатор , необходимо выбрать вид градирни.
Задаюсь выбором вентиляторной градирни, потому что по сравнению с
башенной градирней, она обеспечивает более глубокое охлаждение. Также она
значительно дешевле.
Следовательно:
Где tМ-температура мокрого термометра.
tМ
определяем из диаграммы:
tМ=30°С
Тогда:
Температуру конденсации принимают на 5…7°С выше, температуры воды
на выходе из конденсатора:
где ∆t=(10…15)°C - ширина зоны охлаждения вентиляторных градирен,
обеспечивающих систем оборотного водоснабжения.
Температура переохлаждения жидкого ХА после конденсатора или
специального теплообменника - переохладителя принимается на 5…7 град. выше
температуры охлаждающей воды:
Температуру кипения ХА в испарителе определяют по изотерме
получаемого холода :
После определения этих температур выбирается наиболее рациональный
ХА и по таблицам насыщенных паров находятся соответствующие давления: в
конденсаторе - рк® tК; испарителе - р0®t0 (по приложению Г методических указаний к
данной курсовой работе).
При
При
Расчет теоретического цикла
Принципиальная схема установки приведена на рисунке 1.
Построение цикла в диаграмме i-lgP показано на рисунке 2.
Рисунок 2 - Принципиальная схема компрессионной установки
Рисунок 3 - Построение цикла в i-lgP - диаграмме
Точку 1 на правой пограничной кривой (х=1), соответствующую
поступлению в компрессор сухого пара, находят по заданной температуре кипения t0 холодильного агента. Из
нее проводится адиабата (линия сжатия паров в идеальном компрессоре) до
пересечения с линией постоянного давления рК. Точка 2 характеризует
состояние холодильного агента в конце идеального процесса сжатия. Процесс в
конденсаторе описывается линией 2 - 3, причем на участке 2 - 2/
имеет место охлаждение перегретых паров до температуры конденсации, на участке
2/-3/ - конденсация паров при постоянной температуре, 3/-3
- переохлаждение конденсата. Процесс в конденсаторе изобарный. Линия 3-4
характеризует дросселирование холодильного агента в регулирующем вентиле (при i=const).
-1 - процесс кипения хладагента в испарителе. Линия 1-2д
характеризует процесс действительного сжатия в компрессоре. Положение точки 2д
на изобаре РK зависит от индикаторного КПД компрессора, оценивающего
энергетические потери данного агрегата.
В соответствии со схемой и циклом определяются параметры
узловых точек по одной из диаграмм и таблицам насыщенных паров ХА. Результаты
целесообразно оформить в виде таблицы 1.
Таблица 1 - Параметры парокомпрессионного холодильного цикла
Параметры
|
Точки цикла
|
|
1
|
2
|
2д *
|
3/
|
3
|
4
|
Давление, Мпа
|
Р0=0,23
|
РК=1,93
|
РК=1,93
|
РК=1,93
|
РК=1,93
|
Р0=0,23
|
i1=400
|
i2=450
|
i2Д= =471,327
|
i 3/=260
|
i 3=260
|
i4=i3= =260
|
Температура, К
|
T0= =257,15
|
T2=321,15
|
T2Д= =321,15
|
TК= =321,15
|
T= =321,15
|
T0= =257,15
|
Удельный объем,
кг/м³
|
u1²=0,08
|
u2²=0,015
|
u2Д²= =0,00105
|
u3/=
=0,00102
|
u3/=
=0,00102
|
u4/=0,03
|
Фазовое
состояние
|
сухой насыщенный пар
|
перегретый пар
|
пере-гретый
пар
|
кипя-щая
жид-кость
|
пере-охлаж-денная
жид-кость
|
влаж-ный
пар
|
* Примечание: параметры точки 2Д определяются
после расчета действительного цикла.
Рассчитываются характеристики цикла:
Удельная холодопроизводительность, кДж/кг:
q0 = i1 - i4=400-260=140 кДж/кг
Теоретическая работа сжатия компрессора, кДж/кг:
lS = i2 - i1=450-400=50 кДж/кг
Расход хладоагента, кг/с:
GX = Q0/q0=380/140=2,71 кг/с
Теоретический холодильный коэффициент цикла:
eТ = q0/lS= 140/50=2,8
Теоретическая мощность, затрачиваемая в компрессоре, кВт:
NT = GX×lS = Q0/eT=380/2,8=135,71
кВт
Теоретическая объемная производительность компрессора, м³/с:
V = GX×u1//=2,71∙0,08=0,2168 м³/с
Удельная объемная холодопроизводительность ХА при заданных
условиях
qV =q0/u1//=140/0,08=1750 кДж/м³
Расчет действительного цикла
Действительный процесс работы отличается от теоретического
объемными и энергетическими потерями, которые учитываются соответствующими
коэффициентами.
В поршневом компрессоре все виды объемных потерь
характеризуют коэффициентом подачи, величина которого равна
l= li lw lпл
где li - индикаторный коэффициент всасывания;
lw - коэффициент подогрева;
li=lсlдр,
lпл - коэффициент плотности; lпл=0.95-0.99;
lс - коэффициент, учитывающий объемные потери,
связанные с расширением из вредного пространства;
lдр - коэффициент дросселирования, lдр = 0,91…0,99
где c0 - относительная величина объема вредного пространства (c0=0.01-0.08);
c - показатель политропы, по которой
осуществляется процесс расширения из вредного пространства. Для аммиачных машин
c = 0,82…1,25. В быстроходных компрессорах
показатель политропы мало отличается от показателя адиабаты.
Тогда:
Коэффициент подогрева можно ориентировочно оценить по формуле
проф. И.И. Левина:
lw
=Т0/ТК - (для крупных вертикальных прямоточных
компрессоров),
lw
=Т0/(ТК +26) - (для крупных горизонтальных аммиачных
компрессоров),
где Т0 и ТК - соответственно температуры
испарения и конденсации хладоагента, К.
Тогда:
Потребная часовая производительность компрессоров составит
VП = 3600×VТ/l=
Число установленных компрессоров определяется из соотношения
n = VП/VПI,
где VПI=824 м³/ч - часовой объем, описанный поршнем одного компрессора, м³/ч. В приложении А приведены характеристики серийно выпускаемых
компрессоров, работающих на аммиаке и фреонах R-12 и R-22.
n = VП/VПI=780,48/824=0,947≈1
Таблица 2 - Характеристики бескрейцкопфных компрессоров
Компрессоры
фреоновые (R-22)
|
Марка
|
Тип, ход поршня
|
Расположение
цилиндров
|
Число цилиндров
|
диаметр
цилиндров
|
Число оборотов
Мин
|
Объем,
описанный поршнем, м³/ч
|
Холодо-
произво-дительность Ккал/ч
|
Мощность
электродви- гателя кВт
|
АВ-300
|
Прямоточный 250
|
В
|
2
|
270
|
360 480
|
618 824
|
230000 300000
|
76 100
|
Увеличение работы сжатия в действительном процессе по
сравнению с теоретическим происходит, главным образом, в результате наличия
теплообмена в цилиндрах компрессора или корпусе и гидравлических сопротивлений
при всасывании и нагнетании пара. Это увеличение работы оценивается
индикаторным КПД hi.
Для горизонтальных аммиачных и фреоновых прямоточных
компрессоров большой холодопроизводительности
hi = lW + 0,0025×t0
ηi=0,741+0,0025∙(-16)=0,701=70,1%
Тогда энтальпия хладоагента в точке 2Д
определяется по уравнению
i2Д = i1 + lS/hi2д=400+50/0,701=471,327
кДж/кг
А положение самой точки находится на пересечении данной
энтальпии и давления в конденсаторе.
Индикаторная мощность компрессора, кВт
Ni=NT/hi
Ni=135,71/0,701=193,59 кВт
Потери, вызванные трением движущихся частей компрессора,
учитываются механическим КПД hм. Механический КПД
современных вертикальных аммиачных компрессоров, повышаясь с ростом
производительности машины, колеблется в пределах от 0,7 до 0,9.
Эффективная мощность, необходимая для привода компрессора,
кВт:
Nе=NT/hм
Ne=135,71/0,8=169,64 кВт,
где hм=0,8.
Мощность электродвигателя, кВт:
N=Ne/hp. hэ
где hp=0,8…0,9 - КПД редуктора;
hэ =0,8…0,9 - КПД приводного
электродвигателя.
Мощность электродвигателя для привода одного компрессора, кВт:
N1=N/n
N1=234,795/1=234,795
кВт
2. Выбор компрессорных агрегатов
.1 Выбор компрессоров
В основном применяют паровые поршневые холодильные компрессоры следующих
типов:
а) при холодопроизводительности при нормальных условиях Qo£900 кВт (Q0=380кВт)
- прямоточные; вертикальные или V - образные
простого действия.
Одноступенчатые компрессионные установки применяются при степени
повышения давления Рк/Ро£7¸12.
Таблица 2 - Характеристики бескрейцкопфных компрессоров
Компрессоры
фреоновые (R-22)
|
Марка
|
Тип, ход поршня
|
Расположение
цилиндров
|
Число цилиндров
|
диаметр
цилиндров
|
Число оборотов
Мин
|
Объем,
описанный поршнем, м³/ч
|
Холодо-
произво-дительность Ккал/ч
|
Мощность
электродви- гателя кВт
|
АВ-300
|
Прямоточный 250
|
В
|
2
|
270
|
360 480
|
618 824
|
230000 300000
|
76 100
|
.2 Выбор типа и конструктивного исполнения
электродвигателя
Для привода компрессоров применяются в основном три типа
электродвигателей: асинхронный с короткозамкнутым ротором (А), синхронный
двигатель (СД) и асинхронный с фазовым ротором (АК).
В холодильной технике в зависимости от условий окружающей
среды находят применение следующие двигатели: защищенные, закрытые обдуваемые,
взрывозащищенные.
В электроприводах средней и большой мощности используются
также модернизированные трехфазные асинхронные двигатели единой серии А и АК.
Они выполняются на напряжение 220, 380, 3000 и 6000 В в диапазоне номинальной
мощности от 55 до 400 кВт.
3. Выбор теплообменного оборудования
Оборудование выбирается на основе выполненных ранее расчетов
в соответствии с характеристикой компрессора.
3.1 Выбор конденсатора
В холодильных установках применяют конденсаторы следующих
типов: кожухотрубные (горизонтальные и вертикальные), кожухозмеевиковые,
элементные, двухтрубные, пакетно-панельные, пластинчатые. Кожухотрубные
конденсаторы характеризуются высокой интенсивностью теплопередачи.
Использование их в системе оборотного водоснабжения с градирней позволяет работать
с минимальным расходом воды. В последнее время в связи с дефицитом воды
применяют конденсаторы воздушного охлаждения. В крупных холодильных установках
наибольшее распространение получили горизонтальные кожухотрубные конденсаторы.
Конструкции их для аммиака и фреонов различаются, в основном, материалом и
характером поверхности теплообмена. В аммиачных использованы трубы бесшовные
гладкие стальные (сталь 10) диаметром 25х2,5 мм (площадь поверхности
теплообмена до 300 м²) и 38х3 мм (площадь
поверхности теплообмена >300 м²). Во фреоновых
конденсаторах из-за сравнительно низких коэффициентов теплоотдачи со стороны
конденсирующегося ХА применяют, как правило, трубы из цветных металлов, на
наружной поверхности которых накатаны ребра.
Для фреоновых кожухотрубных конденсаторов с коэффициентом
оребрения 3,99 при Qm = 6…100С и скорости воды 1,4 м/с
коэффициент теплопередачи kК = 2000…2100 Вт/(м² ×К).
Число устанавливаемых аппаратов определяется на основе выбранного
стандартного конденсатора с площадью поверхности теплообмена FKI:
Таблица 4-Кожухотрубные фреоновые конденсаторы
Марка
|
Площадь
наружной теплопередающей поверхности, м²
|
Коэф. оребрения
|
Число труб
|
Длина труб, м
|
Диаметр
условного прохода присоединительных штуцеров, мм
|
|
|
|
|
|
Вход и выход
воды
|
Хладоагент
|
|
|
|
|
|
|
Пар
|
Жидкость
|
КХ110 (R-22)
|
113
|
3,9
|
284
|
3,0
|
150
|
125
|
50
|
3.2 Выбор испарителя
Для охлаждения хладоносителя наибольшее распространение
получили кожухорубные испарители затопленного типа. В них холодильный агент
кипит на наружной поверхности труб (гладких или оребренных), а хладоноситель
протекает в трубах.
Выбор типа испарителя производится на основании расчета
поверхности теплопередачи. Для ориентировочных расчетов площадь поверхности
теплопередачи можно определить, задавшись плотностью теплового потока qF.
Таблица 5 - Значения плотности теплового потока qFвн (Вт/м²) во фреоновых испарителях типа ИТР для R-22 при t0 = - 15 ¸ +50С
Скорость
хладо-носителя, м/с
|
Средний перепад
температур, 0С
|
|
4
|
5
|
6
|
1,0
|
3300
|
4700
|
5700
|
1,5
|
4700
|
6400
|
7900
|
Таблица 6 - Кожухотрубные горизонтальные испарители затопленного
типа
Марка
|
Площадь
поверхности теплообмена, м²
|
Габаритные
размеры
|
Условные
проходы штуцеров, мм
|
Число труб
|
|
|
Диаметр кожуха,
мм
|
Длина, мм
|
Паровой
|
Жидкостный
|
Хладоносителя
|
|
Холодильный
агент R-22
|
ИТР-65
|
65
|
500
|
2435
|
100
|
32
|
80
|
210
|
3.3 Маслоотделитель
При известной часовой объемной производительности компрессора
VПI и рекомендуемой скорости
пара в штуцере w = 1…0,7 м/с диаметр определяется из уравнения сплошности:
Таблица 7 - Аммиачные промывные маслоотделители
Марка
|
Размеры, мм
|
Диаметр
условного прохода штуцеров, мм
|
Вместимость, м³
|
|
Диаметр
|
Высота
|
Пар
|
Жидкость
|
|
80 ОММ
|
307х9
|
1570
|
80
|
20
|
0,078
|
3.4 Ресивер
Ресиверы для жидкого агента предназначены для компенсации
переменного заполнения жидким агентом испарителя и конденсатора при различных
режимах работы. Емкость ресивера принимается равной половине часового
количества циркулирующего в системе хладоагента:
Таблица 8 - Аммиачные ресиверы горизонтальные типа РД
Марка
|
Размеры, мм
|
Диаметр
условного прохода штуцеров, мм
|
Вместимость, м³
|
|
Диаметр
|
Высота
|
Жидкость
|
К прибору
|
|
1,5 РД
|
800х8
|
3610
|
50
|
25
|
1,651
|
3.5 Переохладитель
Переохладители с водяным охлаждением предназначены для
охлаждения жидкого рабочего агента ниже температуры конденсации перед
регулирующим вентилем. Конструктивно эти аппараты выполняются из труб диаметром
38х3,5 (внутренняя) и 57х3,5 (наружная) противоточными одно- или
двухсекционными; хладоагент проходит по межтрубному пространству.
Выбор переохладителя производится по поверхности охлаждения
на основании теплового расчета.
FK=13,8 м²
Таблица 9 - Аммиачные переохладители завода «Компрессор»
Марка
|
Площадь
поверхности охлаждения, м²
|
Количество
секций
|
Высота
|
16ПП
|
15,6
|
2
|
1450
|
3.6 Грязеуловитель
Назначение грязеуловителя - предохранить рабочие поверхности
компрессоров (цилиндры - в поршневых агрегатах) от попадания твердых частиц -
ржавчины, окалины и т.п., которые могут вызвать задиры и риски. Грязеуловители
монтируют на всасывающей стороне, вблизи от компрессора. Конструктивно они
выполняются в виде паровых сетчатых фильтров, при выборе которых задаются
скоростью хладоагента в присоединительном штуцере в диапазоне wГ =1…1,5 м/с.
Диаметр штуцера определяется по известному уравнению
Заключение
В ходе проделанной курсовой работы мы произвели расчет
компрессионной холодильной установки. Хладоагентом являлся R-22. Был рассчитан теоретический цикл,
действительный цикл. Было выбрано следующее оборудование:
Компрессор марки АВ-300; электродвигатель серии А и АК в диапазоне
номинальной мощности от 55 до 400 кВт; конденсатор марки 1КХ 110; испаритель марки
ИТР-65; малоотделитель марки 80 ОММ; ресивер марки 1,5 РД и переохладитель
марки 16 ПП.
Список используемых источников
компрессионный холодильный испаритель ресивер
1.
Водоснабжение промышленных предприятий. Учебное пособие.-В.Ф. Симонов, Н.В. Долотовская.
.
Расчет водоохлаждающих устройств. Методические указания к курсовой
работе.:Саратов-1979.
.
СНиП «Строительная климатология».
.
Холодильные компрессоры. Справочник /Под ред. А.В. Быкова. - М.: Легкая и
пищевая промышленность, 1981. - 280 с.