Проектирование парового компрессионного холодильника

Министерство образования и науки Российской Федерации

Кафедра «Энергообеспечение предприятий»

Курсовая работа по дисциплине:

«Тепломассообменное оборудование промышленного предприятия» на тему:

«Проектирование парового компрессионного холодильника»

Выполнил: ст. гр.

Научный руководитель: доцент, к.т.н. Маряшев А.В.

2015

Введение

В бывшем СССР первые образцы (10 шт.) бытового холодильника ХТЗ-120 были изготовлены в 1937 г. на Харьковском тракторном заводе (ХТЗ).

Полезный объем холодильников ХТЗ-120 составлял 120 л. Холодильник ХТЗ-120 был оснащен герметичным компрессором холодопроизводительностью около 116 Вт, потребляемой мощностью до 200 Вт. Расход электроэнергии не превышал 60 кВт∙ч в месяц. Хладагентом служил  сернистый ангидрид (SO2). Наиболее низкая температура на средней полке была -3 °С, а в испарителе – до -20 °С. В испаритель можно было устанавливать формочку для льда. Внутренний объем холодильника освещался электролампочкой, автоматически включающейся при открывании двери. Габаритные размеры шкафа 1425х615х590 мм, холодильной камеры – 755х455х380 мм. Изоляция толщиной 80 мм была выполнена из древесного войлока.

Организация на ХТЗ нового сложного производства заняла около двух лет. Лишь в 1939 г. начался серийный выпуск бытовых холодильников ХТЗ-120. В 1940 г. их было изготовлено уже 3500. Дальнейшее развитие производства было прервано начавшейся Великой Отечественной войной.

Массовое производство современных компрессионных бытовых холодильников на фреоне (R12) было организовано на Московском автозаводе (ныне ЗИЛ) в 1949…1951 гг. Первый холодильник этого завода «ЗИС-Москва» модель ДХ-2 имел полезный объем охлаждаемой камеры 165 дм3. 

Холодильники меньшего размера – «Саратов-2» полезным объемом 85 дм3 – с 1951 г. стал выпускать также Саратовский завод. В 1963 г. вступил в строй один из ведущих заводов бытовых холодильников – Минский.

Главная тенденция развития бытовых холодильников, определяемая спросом населения, - увеличение их полезного объема. Если в 1968 г. только 6,3 % проданных холодильников имели объем 200 дм3 и более, то в 1988 г. их доля возросла до 68%.

Другая тенденция в производстве бытовых холодильников – увеличение объема отделения, предназначенного для хранения замороженных продуктов, и понижение температуры воздуха в нем с -10…-12 до -18…-24 °С.

С 1980 по 1988 г. выпуск двух- и трехкамерных холодильников увеличился в 17,5 раза – со 143 тыс. до 2500 тыс.

В 1990 г. в бывшем СССР в эксплуатации находилось свыше 71 млн. бытовых холодильников и морозильников. Обеспеченность городского населения достигла 101 на 100 семей (в 1970 г. – 43), а сельского – 81 (в 1970 г. – 13).

Выпускаемые холодильники (одно- и двухкамерные) и морозильники представляют широкую гамму оборудования полезным объемом 120…350 дм3, в том числе с объемом морозильного отделения 20…125 дм3. Морозильники сундучного типа имеют полезный объем 94…300 дм3.

В настоящее время бытовые холодильники и морозильники зарубежных фирм, так и отечественных заводов все больше оснащаются элементами комфортности. Это:

1. Прозрачность полки из высокопрочного стекла или пластика с возможностью перестановки по высоте, предохраняющие от протекания жидкого продукта вниз при неосторожном проливании;
2. Отделения в холодильных камерах и отдельные камеры с прозрачными дверками, прозрачные выдвижные секции или емкости для хранения в охлажденном (но незамороженном) состоянии при нулевых температурах парного мяса, свежей рыбы и других продуктов;
3. Отделения замораживания с прозрачными дверками в морозильных камерах;
4. Дезодораторы для устранения неприятных запахов, включаемые автономной кнопкой на наружном пульте управления;
5. Аккумуляторы холода в виде лотков-подносов для сохранения низких температур в морозильной камере при неработающем компрессоре, стабилизации температурного режима при его цикличной работе, а также для быстрого замораживания ягод и охлаждения напитков.

зПТЭ-5

Лист

3

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Объем холодильной камеры: Vх.к.= 240 л, температура холодильной камеры: tх.к.= 5 °C; объем морозильной камеры: Vм.к.= 40 л, температура морозильной камеры: . Хладагент, используемый в холодильнике, R134а. Аналог холодильника: Свияга-404.

1. Описание конструкции бытового холодильника

Рис. 1. Бытовой холодильник: 1 – сосуды для овощей и фруктов; 2 – стеклянная полка; 3 – лоток для слива талой воды; 4, 7 – решетчатые полки; 5 – испаритель холодильной камеры; 6 – пробка сливной трубки; 8 – ванночка для льда; 9 – испаритель низкотемпературной камеры; 10 – сервировочная плоскость; 11 – решетка; 12, 13 – терморегулятор и электролампочка; 14 – уплотнитель двери низкотемпературной камеры; 15 – крышка; 16 – уплотнитель двери холодильной камеры; 17 – магнитный уплотнитель; 20 – барьер; 18 – переставные полки; 19 – панель двери; 21 – фильтр-осушитель; 22 – прокладка; 23 – конденсатор; 24 – задняя стенка; 25 – задний упор; 26 – винт крепления конденсатора; 27 – болт; 28 – ванночка для сбора и испарения талой воды; 29 – герметичный компрессор; 30 – клеммная колодка; 31 – пускозащитное реле.

2. Расчет теплопритоков в шкаф бытового холодильника

2.1. Проводим  расчет теплопередающих поверхностей холодильного шкафа:

2.Определим высоту холодильника H: , где V=Vх.к+ Vм.к.+ Vтрапеции

зПТЭ-5

Лист

4

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Найдем ширину и глубину без изоляции:

ширина без изол.=600-40-40=520 (мм)=0,52 м;

глубина без изол.=600-45-30=525 (мм)=0,525 м.

Вычислим площадь основания:

Sоснования= ширина без изол.· глубина без изол.=0,52·0,525=0,273 м2

Для того чтобы определить объем трапеции – найдем площадь трапеции:

Sтрапеции=0,5∙(90+170)∙260=33800 мм2=0,0338 м2

Vтрапеции= Sтрапеции ∙ ширина без изол.=0,0338∙0,52=0,017576 м3

Высота холодильника:

- мы получили высоту холодильника  без изоляции, следовательно, с изоляцией: H=1,09+0,04+0,04=1,17 м

Определяем площади теплопередающих поверхностей холодильного шкафа:

1. боковых стенок (2 шт):

Fбок. стенок=2 · (h·глубина без изол. - Sтрапеции)= 2 · (1,09·0,525-0,0338)=1,077 м2;

2. дна:

Fдна=ширина без изол. · (глубина без изол. – 0,17)=0,52 ·(0,525-0,17)=0,1846 м2;

3. потолка:

Fпотолка= Sоснования= ширина без изол. · глубина без изол.=0,52·0,525=0,273 м2;

4. задняя стенка:

Fзад. стенка. =(h – 0,26) · ширина без изол.=(1,09-0,26) ·0,52=0,4316 м2;

5. дверь:

Fдвери. =h· ширина без изол.=1,09·0,52=0,5668 м2.

2. Расчет перепадов температур:

температура окружающей среды: tо.с.=32 °C;

температура холодильной камеры: tх.к..=5 °C;

температура морозильной камеры: tм.к..= -6 °C (*);

- всех поверхностей кроме задней стенки:

Δtх= tо.с.- tх.к..=32-5=27 °C;

Δtм= tо.с.- tм.к..=32-(-6)=38 °C.

3. Определяем коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций холодильника:

;

Нужно определить αв – коэффициент теплоотдачи охлаждаемой среды к внутренней поверхности, αн – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности к окружающей среде.

αвг=1,7 Вт/(м2·К) – от внутренней стенки к горизонтальному участку;

αвв=2,1 Вт/(м2·К) – от внутренней стенки к вертикальному участку;

αнг=6 Вт/(м2·К) – от наружной стенки к горизонтальному участку;

αнв=10  Вт/(м2·К) – от наружной стенки к вертикальному участку.

λ1=50 Вт/(м∙К) – коэффициент теплопроводности металла;

λ2=0,082Вт/(м∙К) – полистирола;

λиз=0,025 Вт/(м∙К) – пенополиуретана;

δ1=1 мм; δ2=4 мм; δиз - толщина изоляции.

зПТЭ-5

Лист

5

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Вычисляем коэффициент теплопередачи:

1. боковой стенки:

2. дна:

3. потолок:

4. задняя стенка:

5. двери:

2.4. Проверка  поверхностей на условия конденсации влаги:

;

По диаграмме Молье определяем температуру точки росы, при tо.с.=32 °C и φ = 80% она соответствует температуре tр=27 °C.

Вычисляем:

1. боковая стенка:

ki<0,95∙ kmax;

;

;

2. дно:

;

3. потолок:

;

4. задняя стенка:

;

;

зПТЭ-5

Лист

6

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

5. дверь:

;

.

5. Определяем теплопритоки через отдельные элементы ограждения холодильника:

;

1. боковая стенка:

 Вт;

 Вт;

2. дно:

 Вт;

3. потолок:

 Вт;

4. задняя стенка:

 Вт;

 Вт;

5. дверь:

 Вт;

 Вт.

2.6. Определяем теплопритоки от термической обработки продуктов:

Мсуточн. = суточная норма хранения продуктов.

При max коэффициенте эксплуатации морозильная камера заполняется говядиной на 50%, холодильная камера заполняется говядиной на 20%.

кг;

кг;

iн – энтальпия при tо.с.=32 °C→ iн =339,29 кДж/кг;

iх.к. – энтальпия при tх.к.=5 °C→ iх.к=248,28 кДж/кг;

iм.к. – энтальпия при tм.к.= -6 °C→ iм.к= 51,5 кДж/кг;

 Вт;

 Вт;

 Вт.

2.7. Определяем  теплоприток при открывании двери:

, где n=20…30 – количество открываний двери; V=240 л =0,24 м3; n=25;

зПТЭ-5

Лист

7

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

;

 Вт.

2.8. Теплоприток  от электроприборов:

 Вт.

2.9. Суммарные  потери:

 Вт.

зПТЭ-5

Лист

8

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3.3. Для определения положения точки 4 используем уравнение теплового баланса:

i3-i4=Kp∙(i1-ia), где Kp – коэффициент, учитывающий долю регенерации в процессе перегрева;

Kp=0,5;

i4=i3-Kp∙(i1-ia)=266,77-0,5∙(429,75-386,5)=245,15 кДж/кг.

3.4. Заполняем  таблицу основных параметров  рабочих точек цикла:

3.5. Рассчитываем следующие параметры:

1. удельная массовая холодопроизводительность: q0 = ia – i5 = 386,5 – 245,15 = 141,35 кДж/кг;
2. удельная объемная холодопроизводительность: ;
3. удельная теплота отводимая в конденсаторе: qк = i2 – i3 = 496,37 – 266,77 = 229,6 кДж/кг;
4. удельная изоэнтропная работа цикла: ls=i2 – i1' = 496,37 – 436,94 = 59,46 кДж/кг;
5. массовый расход рабочего тела холодильной машины:

;

6. теплота отводимая в конденсаторе: Qк = m∙qк = 1,397∙10-3∙229,6 = 0,321 кВт;
7. изоэнтропная мощность компрессора: Ns = m∙ls = 1,397∙10-3∙59,46 = 0,083 кВт;
8. холодильный коэффициент цикла: .

4. Расчет поршневого  компрессора 

4.1. Тепловой  расчет и подбор холодильного  компрессора:

4.1.1. Определяем объемный расход в компрессоре:

VД = m∙υ1' = 1,397∙10-3∙0,17914 = 2,503∙10-4 м3/с.

4.1.2. Определяются составляющие коэффициента подачи и рассчитывается коэффициент подачи:

λ= λ0 ∙λдр∙λТ ·λпл;

λ0 – объемный коэффициент; ;

mp = 0,9…1,05 – политропа расширения конечных параметров;

GM = 0,02…0,05 – относительный мертвый объём;

p2 = 1,276 МПа, p1 = 0,14483 МПа;

зПТЭ-5

Лист

11

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

;

λдр – коэффициент дросселирования; λдр = 0,95…1 = 0,99;

λпл – коэффициент плотности; λпл = 0,9…0,95 = 0,95;

λТ – коэффициент подогрева; ;

λ = 0,861∙0,99∙0,95∙0,844 = 0,684.

4.1.3. Теоретическая объемная производительность компрессора:

;

По номинальной холодопроизводительности подбирается марка холодильного компрессора по ГОСТ 17008-85 «Компрессоры герметичные холодильные».

Q0=197,41 Вт – компрессор ХКВ8-1ЛМ УХЛ.

, где n – частота вращения; D – диаметр поршня; S – ход поршня;

n=48 с-1;

Сср – средняя скорость движения поршня; Сср =1,7 м/с;

 м;

;

Погрешность между рассчитанной и уточненной производительностями составила 3,7%, что в пределах нормы (5%).

4.2. Энергетические потери и мощность компрессора:

Ni – мощность, затрачиваемая на сжатие паров хладагента в действительном компрессоре, называется индикаторной.

, где NS – изоэнтропная мощность, ηi – индикаторный КПД для малых холодильных компрессоров;

ηi=0,7…0,85;

 Вт;

Nтр – мощность на преодоление сил трения

Nтр = Pтр∙Vh = 45∙103∙3,8∙10-4 = 17,1 Вт, где Pтр = 40…50 кПа – удельное давление трения.

4.3. Определяем  эффективную мощность или мощность  на валу компрессора:

Ne = Ni+Nтр = 103,75+17,1 = 120,85 Вт.

Потери, связанные с трением, учитываются в механическом КПД:

;

зПТЭ-5

Лист

12

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Эффективный КПД:

.

Для того чтобы перейти от эффективной мощности Nе к мощности потребляемой электродвигателем из сети NЭ, необходимо учесть КПД электродвигателя.

 Вт, где ηэ.дв.=0,7…0,8.

Электрический КПД:

ηЭ=ηi ∙ηмех∙ηэ.дв.=0,8∙0,859∙0,75=0,5154.

При сопоставлении различных компрессоров и их механических характеристик используют эффективный холодильный коэффициент и общий (электрический) коэффициент .

;

.

5. Расчет теплообменных  аппаратов

Расчет теплообменных аппаратов проводится на основе известной рассчитанной нагрузки на аппарат (Q0, Qк).

5.1. Расчет и подбор конденсатора:

Определяем среднюю логарифмическую разность температур между воздухом и хладагентом и коэффициент теплопередачи от воздуха к хладагенту.

Δtн, Δtк – разность температур потоков на входе и выходе из теплообменного аппарата.

Δtн = t2 - tо.с. = 113-32 = 81°С;

Δtк = tк - tо.с. = 47-32 = 15°С;

k – коэффициент теплопередачи от воздуха к хладагенту.

В конденсаторе k = 9…12 Вт/(м2∙К)→k = 12 Вт/(м2∙К);

В испарителе k = 3,5…7 Вт/(м2∙К)→k = 7 Вт/(м2∙К).

Средний логарифмический перепад температур:

°С.

Определяем площадь поверхности конденсатора:

 м2.

Вычислим действительную площадь конденсатора:

.

Предположим, что на ширине равной 560 мм можно разместить 6 секции змеевика (всего 11 гибов).

Внутренний радиус закругления:

 м.

Наружный радиус закругления:

 м.

зПТЭ-5

Лист

13

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Средний радиус закругления:

 м.

Определяем длину прямых и закругленных частей змеевика:

 м;

 м.

Найдем количество прямых и закругленных участков, исходя из того, что всего 6 секций:

Nпрям.уч.=12; Nзакругл.уч.=11.

Вычислим общую длину змеевика:

lзмеевика = Nпрям.уч ∙lпрям. уч.+ Nзакругл.уч.∙lзакругл. уч.=12∙0,6436 + 11∙0,0792 = 8,5944 м.

Длина окружности трубки змеевика:

lтр.змеевика = 2∙π∙Rтрубки = π∙dтрубки=3,14∙0,006=0,01885 м.

Находим площадь змеевика:

Fзмеевика = lзмеевика ∙lтр.змеевика = 8,5944∙0,01885=0,162 м2.

Для того чтобы найти площадь прутков, зададимся dпрутков=1,5 мм=0,0015 м и шаг между прутками а=5 мм=0,005 м.

Определим площадь одного прутка:

Fпрутка=lпрутка∙π∙ dпрутка=0,56∙3,14∙0,0015=0,00264 м2.

Вычислим количество прутков, которых можно разместить на высоте равной 643,6 мм с шагом между ними равным 5 мм:

Nпрутков=(643,6-13,6)/5 = 126 шт.

Площадь прутков (прутки приварены с обеих сторон змеевика):

Fпрутков = 2·Nпрутков ∙Fпрутка=2·126∙0,00264 = 0,66528 м2.

Поэтому действительная площадь конденсатора:

 м2.

Так как , поэтому расчет конденсатора произведен верно.

5.2. Расчет и  подбор испарителя:

Δtн = tо.с. – t0 = 32-(-18) = 50°С;

Δtк = 47-32 = 15°С;

зПТЭ-5

Лист

14

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Средний логарифмический перепад температур:

°С.

Площадь испарителя:

 м2.

Действительная площадь испарителя:

Так как , поэтому расчет испарителя произведен верно.

5.3.3. Расчет капиллярной  трубки:

Обычно это медная трубка: dвнутр=0,5…1,0 мм, принимаем dвнутр=0,5 мм.

Объёмный расход хладагента в капиллярной трубке:

м3/с;

Скорость движения хладагента по капиллярной трубке:

м/с;

Найдем число Рейнольдса:

, где μ – динамическая вязкость хладагента, определяется по В. Мааке, Жан-Луи Кошпен – ПОЛЬМАНН: Учебник по холодильной технике.

Найдем потери давления на местные сопротивления:

Па, где ∑ζi –сумма коэффициентов сопротивления во входном и выходном трубопроводах.

Найдем потери давления на сопротивления по длине трубопровода:

Па;

Вычислим длину капиллярной трубки:

, где λ-коэффициент гидравлического  сопротивления, вычисляемого по  формуле Альтшуля  , так как число Рейнольдса находится в интервале (∆-шероховатость труб, ∆=0,0015…0,01 мм - для цельнотянутых труб сделанных из латуни, меди, свинца).

м.

зПТЭ-5

Лист

15

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Список используемой литературы

1. Бабакин Б.С., Выгодин В.А. Бытовые холодильники и морозильники: Учеб. пособие для вузов.- 2-е изд., испр. и доп.- М.: Колос, 2000.- 655 с.: ил.;
2. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.;
3. Мааке В., Эккерт Г.-Ю., Кошпен Жан-Луи. ПОЛЬМАНН. Учебник по холодильной технике: Основы-Комплектующие-Расчеты / Пер. с франц. под. ред. д.т.н. В. Б. Сапожникова. Изд-во МГУ 1998, 1142 с., ил.;
4. 23.140 – Компрессоры и пневматические машины – ГОСТ 17008-85
5. Кондрашова Н. Г., Лашутина Н. Г. Холодильно - компрессорные машины и установки. М. Высшая школа 1966г. 480с.

зПТЭ-5

Лист

16

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3

3. Тепловой расчет  холодильной машины

зПТЭ-5

Лист

9

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

В данном холодильнике хладагентом является фреон R134а

3.1. Принимается в холодильниках с естественной циркуляцией:

t0=tм.к. - (8…15)°С – температура кипения фреона;

t0=-6-12=-18°С;

tк=tо.с. + (10…20)°С – температура конденсации фреона;

tк=32+15=47°С.

3.2. По t0 и tк определяем давление кипения p0 и давление конденсации pк:

;

.

Схема холодильника (по ГОСТу)

М-К – мотор-компрессор; КД – конденсатор; ФО – фильтр-осушитель; ТО – теплообменник; РВ – регулирующий вентиль (капиллярная трубка); И – испаритель.

Строим рабочий цикл холодильной машины с учетом следующего:

t1 ≈ tо.с.=32°С;

;

Процесс 1-1' – подогрев паров хладагента в мотор-компрессоре. Давление в т.1 – есть давление кипения:

p1=p0∙(1-δвс), где δвс=0,03…0,05 – потери давления на всасывающих клапанах.

p2=pк∙(1+δнаг), где δнаг=0,03…0,06 – потери давления на нагнетательных клапанах.

p1=p0∙(1-δвс)=0,14483∙(1-0,04)=0,139 МПа=0,139∙106 Па;

p2=pк∙(1+δнаг)=1,221∙(1+0,045)=1,276 МПа=1,276∙106 Па.

зПТЭ-5

Лист

10

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата