Учебное пособие: Методические указания тепловой расчет и выбор вспомогательного оборудования компрессионной холодильной установки к выполнению курсового проекта «расчет технологической схемы компрессионной холодильной станции»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СОЛОВЬЕВ А.А.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ КОМПРЕССИОННОЙ

ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

к выполнению курсового проекта

«РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ СТАНЦИИ»

(для студентов специальности 7.090510 – Теплоэнергетика

дневной и заочной формы обучения)

МАРИУПОЛЬ 2004

УДК 621. 51 (077)

Методические указания «Тепловой расчет и выбор вспомогательного оборудования компрессионной холодильной установки» к выполнению курсового проекта «Расчет технологической схемы компрессионной холодильной станции» (для студентов специальности 7.090510 – Теплоэнергетика дневной и заочной формы обучения) /Сост.: Соловьев А.А. – Мариуполь: ПГТУ, 2004. –26 c.

Изложены краткие сведения по выбору вспомогательного оборудования компрессионной холодильной станции. Дана методика и рекомендации по расчету и выбору теплообменных аппаратов схемы холодильной установки и системы оборотного водоснабжения. Приведены необходимые материалы и справочные таблицы для выбора стандартного вспомогательного оборудования. Имеется список необходимой литературы.

Составитель: А.А. Соловьев, доц.

Рецензент В.М. Житаренко, ст. преп.

Отв. за выпуск: В.Н.Евченко, доц.

1 РАСЧЕТ И ВЫБОР ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

КОМРЕССИОННОЙ УСТАНОВКИ

1.1 Испарители

Выбор испарителей определяется принятой системой охлаждения. В промышленных компрессионных холодильных установках наиболее широко используются испарители с промежуточным холодоносителем (рассол, вода), которые бывают закрытого (кожухотрубные) и открытого (панельные) типов. Для рассматриваемой в курсовой работе схемы холодильной станции обычно рекомендуются кожухотрубные рассольные испарители типов ИТГ и ИКТ.

Площадь теплопередающие и поверхности испарителя определяют из уравнения теплопередачи

(1.1)

где - тепловой поток в испарителе, определенный тепловым расчетом, ( ), Вт;

- коэффициент теплопередачи испарителя, ;

- средняя разность температур между холодоносителем и кипящим хладагентом.

Средняя разность температур для машин, работающих на амми­аке, обычно составляет 5-6 ⁰ С, на хладонах в аппаратах с кипени­ем хладагента внутри труб 8-10 ⁰ С. Для ориентировочных расчетов можно принимать следующие значения удельного теплового пото­ка, Вт/м² , :

Испарители для аммиака:

- кожухотрубные = 3500 Вт/м²

- панельные = 2300-3500 Вт/м²

Испарители для хладона –22:

- кожухотрубный с трубами

- накатанными медными = 4700-6400 Вт/м²

- гладкими стальными = 2300-4700 Вт/м²

По рассчитанной величине площади теплообмена подбирают один

или несколько испарителей (Приложения 1, 2).

В качестве холодоносителя наиболее широко применяется вод­ный раствор хлористого кальция, основные физические свойства ко­торого приведены в Приложении 3.

Расход холодоносителя определяют по формуле

, (1.2)

где - расход холодоносителя, м³ /с;

- удельная теплоемкость холодоносителя при средней рабо­чей температуре, кДж/(кг×К);

- плотность рассола, кг/м³ ;

- разность температур рассола на входе и выходе из испа­рителя, К.

Величина принимается в зависимости от вида охлаждае­мых аппаратов (в °С):

батареи и воздухоохладители 2-3

технологические аппараты 4-6

По расходу холодоносителя подбирают насосы с учетом резер­ва и необходимого напора (Приложения 4, 5). Целесообразно выби­рать два рабочих насоса половинной производительности каждый и один резервный.

1.2 Конденсаторы

Конденсаторы подбирают по действительному тепловому потоку, определенному при тепловом расчете компрессора. Тип конденсато­ра выбирают в зависимости от назначения установки, условий водоснабжения и качества воды с учетом климатологических данных. В большинстве случаев для крупных и средних установок, работа­ющих на аммиаке и хладонах, применяют конденсаторы с водяным ох­лаждением - горизонтальные кожухотрубные. Такие конденсаторы целесообразно использовать при наличии оборотного водоснабжения. В случае прямоточной системы водоснабжения из естественных водо­емов на крупных холодильных установках, работающих на аммиаке, обычно используют вертикальные кожухотрубные конденсаторы.

Расчет конденсатора сводится к определению площади теплопередающей поверхности, по которой подбирают один или несколько конденсаторов с суммарной площадью поверхности, равной расчетной. Затем рассчитывают расход воды и производят подбор насосов.

Площадь теплообмена конденсатора

, (2.3)

где - суммарный тепловой поток в конденсаторе от всех компрес­соров, определенный при тепловом расчете компрессора, Вт;

- коэффициент теплопередачи в конденсаторе, Вт/(м² К);

- средний температурный напор между конденсирующимися

хладагентом и охлаждающей водой, К.

Коэффициенты теплопередачи в конденсаторах (в Вт/м² К) можно принять по рекомендациям:

Конденсаторы кожухотрубные:

горизонтальные для аммиака 700-1000

вертикальные для аммиака 800

горизонтальные для хладонов 700

По рассчитанной площади поверхности подбирают конденсатор со­ответствующего типа (Приложения 6, 7).

Расход охлаждающей воды, поступающей в конденсатор, находят по формуле

, (1.4)

где - удельная теплоемкость воды, кДж/(кг×К);

- плотность воды, кг/м³ ;

- подогрев воды в конденсаторе, К.

По расходу воды с учетом необходимого напора подбирают на­сос или несколько насосов необходимой производительности (Приложения 4, 5). Обязательно предусматривается резервный насос.

1.3 Приборы охлаждения

Приборы охлаждения (камерное оборудование) подбирают в со­ответствии с принятым способом охлаждения. В камерах холодильной обработки и хранения продуктов используются батареи и воздухоохладители. Охлаждающие приборы бывают непосредственного охлаждения и рассольного. При рассольном охлаждении широко используются батареи из оребренных или гладких труб. На крупных холодильниках применяют потолочные, пристенные, а также панельные ба­тареи.

Гладкотрубные батареи изготавливают из труб диаметром 57х3,5 мм, шагом от 180 до 300 мм. Батареи из оребренных труб из­готавливают из труб диаметром 36x2,5 мм со спиральной навивкой из стальной ленты толщиной 0,8-1,0 мм в шириной 45 мм. Секции охлаждающих батарей изготавливаются шести типов:

СК - стальные оребренные одноколлекторные;

СЗГ - змеевиковые головные;

СЗХ - змеевиковые хвостовые;

СС - средние;

СЗ - змеевиковые;

С2К - двухколлекторные.

Из секций можно собирать батареи практически любой длины и поверхности. Площадь теплообменной поверхности батарей определя­ют по формуле

, (1.5)

где - суммарная нагрузка на камерное оборудование, определя­емая тепловым расчетом (в курсовом задании эта вели­чина может быть задана ( ), Вт;

k - коэффициент теплопередачи прибора охлаждения, Вт/(м² ×К);

D t - разность температур между воздухом в камере и средней

температурой холодоносителя при рассольном охлаждении, К.

Коэффициенты теплопередачи для батарей можно принять по ре­комендациям (Вт/м² ×К):

Гладкотрубные батареи Температура воздуха в камере, ⁰ С

0 -20

- потолочные 9 ,8 7

- пристенные 9 ,8-14 7-9 ,9

Оребренные батареи Температура воздуха в камере, ⁰ С

0 -20

-потолочные

- однорядные 5,9-5,1 4,7-4,2

- двухрядные 5,6-4,8 4,4-4,0

- пристенные

4 трубы по высоте 4,7-4,1 3,6-3,3

8 труб по высоте 4,3-3,7 3,4-3,0

Большие значения коэффициентов относятся к батареям с ша­гом ребер 30 мм, меньшие - с шагом ребер 20 мм. По рассчитанной площади теплообмена подбирают секции и составляют из них батареи (Приложения 8, 9). Минимальное количество секции - две; го­ловная и хвостовая, если батарея змеевиковая, или обе коллектор­ные. Между этими секциями могут быть вварены средние, ко­личество которых зависит от длины камеры.

1.4 Переохладители

Для уменьшения потерь при дросселировании жидкого хладаген­та необходимо понизить его температуру перед регулирующим венти­лем. Для этого обычно используют водяные противоточные пароохла­дители, включаемые в схему после линейного ресивера. Переохлади­тели следует включать в схему, когда температура воды, поступа­ющей на восполнение потерь в оборотной системе водоснабжения, ниже температуры воды, поступающей в конденсатор. В схемах с ис­парительным и воздушным конденсатором переохладитель не предусматривается. Расчет переохладителя сводится к определению пот­ребной площади теплообмена по формуле

, (1.6)

где Q_по - тепловой поток в переохладителя , Вт;

k - коэффициент теплопередачи переохладителя, Вт/(м² ×К). По рекомендациям = 465- 700 Вт/(м² ×К);

D t - средний температурный напор между хладагентом и водой,°С.

Тепловой поток в переохладителе для одноступенчатой машины рассчитывается по формуле

, (1.7)

Переохладитель подбирают по суммарному тепловому потоку для всех машин холодильной станции. Расход воды на переохладитель определяется по формуле

, (1.8)

где D t_по - нагрев воды в переохладителе.

Свежая вода подается на переохладитель, а затем обычно до­бавляется к оборотной или используется для охлаждении других объектов (конденсатор, компрессор). Технические характеристики противоточных переохладителей приведены в Приложение 10.

2 ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

2.1 Ресиверы

В схему холодильной установки в зависимости от системы охлаждения могут быть включены циркуляционные, линей­ные, дренажные и защитные ресиверы. Правильный выбор вместимос­ти ресиверов обеспечивает безопасность работы системы. Так линей­ные ресиверы типа РВ применятся для разгрузки теплообменной по­верхности конденсаторов от жидкого аммиака и обеспечения его рав­номерного поступления к регулирующему вентилю. Технические харак­теристики линейных ресиверов типа РВ и их габаритные размеры приведены в Приложениях 11, 12.

Расчет и подбор всех типов ресиверов заключается в опреде­лении необходимой вместимости сосуда для данной холодильной ус­тановки. Подбор линейных ресиверов зависит от способа подачи жидкого хладагента в систему охлаждения. Для насосно-циркуляционной системы с верхней подачей жидкого аммиака вместимость ли­нейного ресивера должна составлять не менее 30% вместимости сис­темы охлаждения. Для насосно-циркуляционной системы с нижней подачей жидкого аммиака и безнасосной системы вместимость линейно­го ресивера должна составлять не менее 60% вместимости системы охлаждения. Для всех систем сверх указанных объемов расчетная вместимость ресивера должна быть увеличена на 20%.

Вместимость линейных ресиверов для систем с нижней подачей аммиака и для безнасосных систем можно определить по формуле

, (2.1)

где V _с - вместимость системы охлаждения;

0,5 - коэффициент, учитывающий норму заполнения ресивера при

эксплуатации, (50% от объема).

Вместимость системы охлаждения складывается из вместимости батарей, воздухоохладителей и сливных трубопроводов. Все ресиве­ры снабжаются предохранительными клапанами, манометрами или мановакуумметрами, запорными вентилями и указателями уровня.

2.2 Маслоотделители

Маслоотделители предназначены для улавливания масла, уноси­мого хладагентом из компрессора. Наиболее эффективно масло отделяется в аппаратах с охлаждением. Охлаждение может осуществляться водой (аппараты типа МСВ) или жидким аммиаком (барботажные аппараты типа 0ММ). Наиболее современными являются маслоотделители циклонного типа. Подбор маслоотделителей производится по диаметру нагнетательного патрубка компрессора. Цифра в обозначении маслоотделителя (например, 125 ОММ) соответствует диаметру нагнетательного патрубка. Маслоотделители типа ОММ представ­лены в Приложении 13, технические характеристики и габаритные раз­меры в Приложении 14.

2 .3 Маслосборники

Маслосборники предназначены для перепуска в них масла из ап­паратов и последующего удаления его из системы при низком давле­нии. Они позволяют уменьшить потери хладагента и обеспечить бе­зопасность обслуживания. Перед выпуском масла аппарат отключают от линии высокого давления и подключают к всасывающей линии перед отделителем жидкости. Маслособиратель представляет собой сварной вертикальный цилиндрический сосуд, предназначенный для работы при давлении не более 1,8 МПа, в диапазоне температур от -40°С до + 150°С. Количество маслособирателей, включенных в схему, опреде­ляется числом и размерами обслуживаемых аппаратов. На крупных ус­тановках целесообразно иметь один маслособиратель на каждую испа­рительную систему. Маслосборник типа СМ представлен в Приложении 15, технические характеристики и размеры - в Приложении 16.

3 ВЫБОР И РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

При проектировании холодильной станции необходимо выбрать систему водоснабжения. Наиболее широко используется система обо­ротного водоснабжения с вентиляторными градирнями. Брызгальные бассейны, ввиду их малой тепловой эффективности_, используются значи­тельно реже. Схема оборотного водоснабжения с вентиляторной гра­дирней приведена на рисунке.

Тепло конденсации в градирне отдается воздуху, проходя­щему через градирню (большая часть - за счет испарения воды, а меньшая - вследствие разности температур между водой и воздухом). В результате теплообмена с разбрызгиваемой водой энтальпия возду­ха увеличивается с і_в1 до і_в2 . Уравнение теплового баланса будет иметь вид

Q _к = G_вд (t_вд1 – t_вд2 )C_вд r _вд = L_в r _в (i_в2 –i_в1 ), (3.1)

где Q _к - тепло конденсации, кВт;

G_вд - количество циркулирующей воды, м³ /с;

t_вд2 , t_вд1 - температура воды на входе и выходе из градирни, °С;

L_в - производительность вентилятора градирни, м³ /с;

r _в - плотность воздуха, кг/м³ .

В формуле не учтено тепло, уносимое из градирни с испарившейся водой и мелкими каплями. Унос воды из градирни относитель­но небольшой (3-10% от количества воды, циркулирующей в систе­ме), однако в схеме предусмотрена подпитка от сети водопровода для компенсации этого уноса.

Количество циркулирующей воды G_вд определяемся при расчете конденсатора (G_вд = V _вд ). Охлаждение воды в вентиляторных градирнях обычно находится в пределах Dt_вд = 3,5-4,5°С. Температура воды на выходе из градирни t_вд1 зависит от совершенства конструкции градирни и температуры воздуха по мокрому термометру. В реальной градирне вода охлаждается до температуры несколько более высокой (на 3-4°С), чем температура мокрого термометра t_в1м .

I – градирня; II – конденсатор холодильной машины; III – центробежный насос; 1-8 – запорные вентили; 9 – манометр; 10 – расходомер; 11 – водорегулирующий вентиль.

Рисунок1 – Схема оборотного водоснабжения с применением градирни

Отношение действительного охлаждения воды к теоретически воз­можному называют коэффициентом эффективности градирни h

, (3.2)

Выбор градирни обычно производят по требуемой площади попе­речного сечения (в м² ), определяемую по формуле

, (3.3)

где q_F - удельная тепловая нагрузка.

Для вентиляторных градирен характеристики обычно следующие:

q_F = 40¸50 кВт/м² ;

q_F h =0,75¸0,85.

Задаваясь величиной охлаждения воды в градирне и ее эффек­тивностью, можно вычислить температуру воды на выходе из градирни и на входе в нее:

, (3.4)

, (3.5)

По рассчитанной величине площади поперечного сечения градирни выбирают типоразмер одной или нескольких градирен (Приложение 17).

ПЕРЕЧЕНЬ ИСТОЧНИКОВ

1. Мальгина Е.В., Мальгин Ю.В. Холодильные машины и установки – М.: Пищ. промышленность, 1973. – 608 с.

2. Свердлов Г.З., Явнель Б.К. Курсовое и дипломное проектирование холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. – М.: Пищ. промышленность, 1978. – 264 с.

3. Холодильные машины: Справочник. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. – 223 с.

4. Чумак И.Г., Никульшина Д.Г. Холодильные установки. Проектирование: Учебное пособие для вузов. – К.: Вища школа. Головное издательство, 1988. – 280 с.

5. Методические указания к выполнению курсового проекта «Расчет технологической схемы компрессионной холодильной станции» (для студентов специальности 10.07)/Сост. А.А. Соловьев. – Мариуполь: ПГТУ, 2003.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Рисунок 2 - Кожухотрубчатый испаритель: 1 – мановакууметр; 2 – клапан предохранительный.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Типоразмеры горизонтальных кожухотрубчатых испарителей типа ИТГ.

Окончание таблицы

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Свойства водного раствора хлористого кальция

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Технические характеристики водяных насосов, выпускаемых Ереванским насосным заводом

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Технические характеристики водяных насосов, выпускаемых Катайским насосным заводом

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

1 – клапан предохранительный;

2 – манометр

Рисунок 4 - Кожухотрубный горизонтальный конденсатор (КТГ-25-160)

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

Типоразмеры конденсаторов КТГ

продолжение таблицы

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

а – одноколлекторная типа СК; б – змеевиковая головная типа СЗГ; в – змеевиковая хвостовая типа СЗХ; г – средняя типа СС; 1 – труба; 2 – лента; 3 – коллектор; 4 – уголок; 5 – калач.

Рисунок 4 - Секции стальные оребренные охлаждающих батарей по ГОСТ – 17645 – 78:

ПРИЛОЖЕНИЕ 9

Характеристика секций

Примечание: 1. Расстояние между трубами для всех секций 250 мм.

2. Секции змеевиковые СЗ и двухколлекторные С2К выпускаются длиной 2000 и 4500 мм.

ПРИЛОЖЕНИЕ 10

Техническая характеристика противоточных переохладителей

ПРИЛОЖЕНИЕ 11

1 – манометр; 2 – клапан; 3 – вентиль спуска масла D_у 10.

Рисунок 5 - Линейный ресивер типа РВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 12

Техническая характеристика и основные размеры ресиверов типа РВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 13

Рисунок 6 - Маслоотделитель типа 300 – ОММ

ПРИЛОЖЕНИЕ 14

Рисунок 7 - Маслосборник типа СМ

ПРИЛОЖЕНИЕ 15

Технические характеристики и габаритные размеры маслоотделителей типа ОММ

Продолжение таблицы

ПРИЛОЖЕНИЕ 16

Технические характеристики и габаритные размеры маслоотстойников типа СМ

ПРИЛОЖЕНИЕ 17

Характеристика градирни