Розрахунок та проектування холодильної установки для охолодження харчових продуктів

Міністерство аграрної політики та продовольства України

Сумський національний аграрний університет

Кафедра інженерних технологій харчових виробництв

Курсовий проект

З дисципліни: "Процеси та апарати харчових виробництв"

Розрахунок та проектування холодильної установки для охолодження харчових продуктів

Виконала: студентка ІІ курсу

Огіренко К.К.

Перевірив:

Казаков Д.Д.

Суми 2012 рік

Зміст

Вступ

1.       Теоретична частина

2.      Розрахунково-конструкторська частина

.1 Тепловий розрахунок апарата

.2 Розрахунок і вибір конденсатора

.3 Розрахунок і вибір переохолоджувача

.4 Розрахунок і вибір параметрів переохолоджувача

.5 Гідравлічний розрахунок

.6 Вибір холодильного агрегату

3.       Новизна прийнятих конструктивних рішень

4.      Загальний висновок по курсовому проекту

Список використаної літератури

Вступ

Холодильна установка - це сукупність машин, апаратів і споруд, призначених для виробництва і застосування штучного холоду. В цьому сенсі холодильна установка в. додаток до чотирьох основних елементів, що складають машину, включає в себе ще апарати, прилади, трубопроводи і навіть споруди, необхідні як для здійснення технологічних процесів при низьких температурах, так і для раціональної експлуатації холодильного обладнання при тривалому промисловому використанні.

Холодильник - це промислове підприємство (або його цех), в приміщеннях якого за допомогою холодильної установки підтримують певні режими, необхідні для обробки та зберігання продуктів, які швидко псуються. Холодильник складається з технологічного будівлі і компресорного цеху з прибудованим до нього апаратним відділенням.

Виробництво штучного холоду, тобто досягнення температур нижче температури навколишнього середовища, та здійснення різних технологічних процесів при цих температурах знаходять застосування в багатьох галузях народного господарства. Холодильна техніка виявилася потрібною майже всім областям людської діяльності. Розвиток деяких галузей не можна собі уявити без застосування штучного холоду. У харчовій промисловості холод забезпечує тривале збереження високої якості продуктів, які швидко псуються; і саме через недостатнє використання холоду в світі втрачається в середньому 25% вироблених харчових продуктів.

Виробничі холодильники є частиною харчових підприємств: м'ясо-і птахокомбінатів, молочних і консервних комбінатів. Майже вся вироблена продукція піддається холодильній обробці, тому виробничі холодильники обладнали потужними пристроями для охолоджування і заморожування, раненортно - експедиційні холодильники забезпечують вантажні операції на залізничних, водних і повітряних лініях.

В наш час холод є надзвичайно важливий майже у всіх сферах діяльності людини. За допомогою холоду створюється штучний клімат в закритих приміщеннях, в будь-який час року і в будь-якому кліматі можуть бути створені штучні крижані ковзанки. Широко застосовується штучний холод на різних видах транспорту для перевезення харчових продуктів, а також на судах риболовецького флоту, в торгівлі харчовими продуктами і в побуті.

1. Теоретична частина

Порівняння різноманітних систем відводу теплоти

Теплота конденсації холодоагенту холодильної установки (так як і теплота абсорбції в абсорбційній установці) повинна бути передана навколишньому середовищу. В якості середовища відводу теплоти можуть бути обрані вода або атмосферне повітря - найдоступніші теплоприймачі. Раніше вважалося більш доцільним охолоджувати конденсатори промислових холодильних установок, а також абсорбери абсорбційних установок водою, так як через більш інтенсивну (приблизно в 1000 разів у порівнянні з повітрям) тепловіддачу до води і більш значну (майже в 3000 разів) об'ємну теплоємність води забезпечуються компактність теплообмінних апаратів і відносно низька їх металоємність. Крім того, температура води в літній час, як правило, нижче температури повітря в даній місцевості, і тому холодильна установка, що має конденсатор з водяним охолодженням, працює влітку при більш низькій температурі конденсації холодоагенту.

При використанні води як середовища відводу теплоти можливі два види водопостачання: проточне (розімкнена система подачі води) і оборотне (замкнута система подачі води). В розімкнуті системі (рис. 1.1.1.) вода, взята з джерела водопостачання 1 при температурі tw1 насосом 2, використовується одноразово для відводу теплоти в конденсаторі і потім скидається, будучи нагрітою до температури tw2.

Система проточного водопостачання може бути застосована, перш за все, завдяки своїй простоті, однак її використання не завжди економічно виправдано, а часто і неможливо через імовірність забруднення навколишнього середовища.

Рис. 1.1.1. Схема проточного водопостачання: 1 - відкрита водойма; 2 - насос; 3 - конденсатор.

Доцільність використання тієї чи іншої системи водопостачання у великій мірі залежить від джерела водопостачання, кількості і якості води в ньому. Іноді для водопостачання холодильних установок воду беруть з різних природних водойм: річок, озер, морів. Якщо підприємство знаходиться поблизу таких джерел, то вартість води виявляється низькою і її повторне використання недоцільне. У деяких випадках вода природних водойм може містити велику кількість розчинених солей, що призводить до утворення відкладень на тепло передаючій поверхні і корозії апаратів, охолоджуваних такою водою. В інших випадках вода виявляється сильно забрудненою, що вимагає її попередньої обробки або частого очищення апаратів і, отже, ускладнює експлуатацію установки. Часто доводиться, наприклад, при водопостачанні хімічних підприємств, відмовлятися від розімкнутої системи з забором води з річки, так як в теплообмінних апаратах вода може забруднюватися робочими речовинами при їх витоку, а санітарні вимоги забороняють повертати забруднену воду в річку.

Іншим доцільним джерелом водопостачання для холодильних установок внаслідок низької температури води (tw1 = 9 ... 12 ° C) є артезіанські свердловини (колодязі). Але артезіанська вода часто жорстка, хімічно агресивна, що також призводить до утворення відкладень і корозії. У великих населених пунктах холодильні установки нерідко забезпечуються з міської водопровідної мережі. Застосування в таких випадках проточного водопостачання призводить до значних витрат. Через порівняно високу вартість водопровідної води іноді виходить, що за воду доводиться платити значно більше, ніж за електроенергію на привід холодильного обладнання (зокрема, компресора). В деяких випадках недостатнє надходження води з джерела, не забезпечує потреб холодильної установки, позбавляє можливості застосовувати проточного водопостачання навіть при хорошій якості води та низької її вартості.

У замкнутій системі (рис. 2) вода використовується багаторазово, так як циркулює по замкнутому контуру і перед черговим використанням охолоджується в атмосферному охолоджувачі 1, віддаючи навколишньому повітрю теплоту Qк, отриману в конденсаторі 2 (або інших апаратах). Таким чином, в замкнутій системі вода, що циркулює за допомогою насоса 3, є проміжним теплоносієм між холодоагентом, від якого відводиться теплота в апараті, і зовнішнім повітрям.

Рис. 1.1.2. Схема оборотного водопостачання: 1 - атмосферний охолоджувач; 2 - конденсатор, 3 - насос, 4 - вентилятор; 5 - бак.

В таких охолоджувачах вода безпосередньо контактує з навколишнім повітрям і охолоджується завдяки передачі теплоти повітрю при одночасній дії конвективного теплообміну та поверхню випаровування води в повітря. Втрати води за рахунок випаровування (до 4% від загальної кількості циркулюючої води) компенсуються добавкою із зовнішнього джерела. Роль променистого теплообміну в загальній кількості переданої теплоти порівняно невелика, і тому впливом цього процесу зазвичай нехтують. Проте в деяких конструкціях охолоджувачів променистий теплообмін може надавати і небажану дію, коли відкрита поверхня води піддається нагріванню сонячними променями. Таким чином, охолодження води відбувається шляхом спільної дії теплообміну і масообміну при зіткненні води з вологим атмосферним повітрям.

Оборотне водопостачання використовують при наступних умовах:

) висока вартість води;

) забрудненість води в джерелі водопостачання;

) забруднення води в теплообмінних апаратах установки;

) недостатній дебіт джерела водопостачання;

) висока жорсткість води.

Зазвичай температура води tw1, що надходить в конденсатор після охолодження в атмосферному охолоджувачі, трохи вище температури води, що забирається з природних джерел у даній місцевості, в зв'язку з чим і розрахунковий тиск конденсації, прийнятий при проектуванні установки, також має бути вище, що підвищує енергетичні витрати на виробництво холоду.

Якщо все ж доводиться використовувати забруднену або жорстку воду, то застосовують двоконтурну систему подачі води (рис. 3). У першому, замкнутому контурі за допомогою насоса 3 циркулює чиста вода, що охолоджує конденсатор 1, яка, в свою чергу, охолоджується в теплообміннику 2 за допомогою розімкнутої або замкнутої систем охолодження води.

Рис. 1.1.3. Схема двоконтурної системи: 1 - конденсатор; 2 - теплообмінник; 3 - насос, 4 - відкрита водойма.

У багатьох місцях відчувається нестача прісної води, і вона постійно дорожчає, у той час як виробництво електроенергії все зростає. Крім того, різко зросли викиди забрудненої води та інших промислових відходів у водойми. Тому різко зріс інтерес до конденсаторів з повітряним охолодженням, їх почали застосовувати на багатьох підприємствах, а також на холодильних установках дуже великої продуктивності. Цьому в значній мірі сприяє і прогрес у виготовленні ребристих труб, в сучасних конденсаторах з повітряним охолодженням ступінь оребріння труб доходить до 20 при відстані між ребрами від 2 до 5 мм. Виробництво таких труб високо механізоване. Тому конденсатори з повітряним охолодженням стали більш ефективними апаратами, незважаючи на велику необхідну площу поверхні теплообміну, не вимагають дуже великої витрати металу і порівняно недорогими.

Схема тепловідведення до повітря в апараті з повітряним охолодженням показана на рис. 4. Зовнішнє повітря, що надходить в апарат з температурою відводить теплоту від ребристої поверхні 1 конденсатора. Примусовий рух повітря здійснюється вентилятором 2. Повітря виходить з апарату, будучи підігрітим до температури tв2. Холодильна установка при цьому істотно спрощується.

Рис 1.1.4. Схема тепловідведення до зовнішнього повітря

Проте використання апаратів з повітряним охолодженням має і позитивні сторони. Крім того, що вони дозволяють значно зменшити витрату виробничої води, при заміні конденсаторів з водяним охолодженням конденсаторами з повітряним охолодженням усувається необхідність у спорудженні охолоджувачів води, насосних станцій, у прокладанні трубопроводів для води. Виняток витрати металу на ці потреби робить холодильну установку з апаратами з повітряним охолодженням порівняною по цьому важливому показнику з установкою, в якій застосовано оборотне водопостачання. Конденсатори з повітряним охолодженням, незважаючи на їх великий обсяг, потребують меншої площі на території підприємства, чим апарати для охолодження води та насосні станції. Наприклад, на заводах синтетичного каучуку водяне господарство займає до 15% площі заводської території, в той час як для апаратів з повітряним охолодженням потрібно всього до 3% площі території. Крім того, усувається скидання забруднених стічних вод у водойми, що істотно для захисту навколишнього середовища; зменшуються обсяг ремонтних робіт через різке зменшення корозії конденсаторів і обсяг робіт з очищення конденсаторів від забруднень; забезпечується стабільність коефіцієнта теплопередачі завдяки відсутності відкладень та забруднень на поверхні ребристих труб, постійно обдуваються повітрям (звичайно зі швидкістю від 2,5 до 4,0 м / с). Найбільш перспективні такі конденсатори для безводних районів, районів з напруженим водним балансом і районів з вологим кліматом, оскільки тут атмосферні охолоджувачі води можуть бути просто неефективними.

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).

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.

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.

Таблиця 2. Параметри вузлових крапок циклу.