Розрахунок парокомпресійної холодильної установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Одеський національний політехнічний університет

Кафедра технології неорганічних речовин та екології

КУРСОВА РОБОТА

з «Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів»

на тему: «Розрахунок парокомпресійної холодильної установки»

Студента ІIІ курсу _ХO-171 групи

спеціальності - 161 - Хімічні технології та інженерія.

спеціалізація - Хімічні технології органічних речовин

Карапетян К.Г.

Керівник к.т.н, доцент. Іванченко Л.В.

м. Одеса - 2019



ЗАВДАННЯ НА КУРСОВЕ ПРОЕКТУВАННЯ

Варіант №6

1. Розрахувати парокомпресійну холодильну установку за умовами, які наведено у табл. 1.

2. Виконати необхідні термодинамічні розрахунки. Побудувати цикл холодильної установки в координатах Т - S, H - S, E - H.

3. Побудувати графіки зміни температур потоків у випарнику, конденсаторі і охолоджувачі.

4. Провести ексергетичний аналіз установки та надати рекомендації зі зниження втрат на незворотність в її елементах.

5. Згідно з розрахунками виконати підбір холодильного компресора, випарника та конденсатора.

Таблиця 1 - Дані для розрахунку холодильної установки - Фреон-12

Вариант	Температура розсолу в випарнику	Температура води в конденсаторі	Температура артезіанської води на вході, tа1, ? С	Витрата артезіанської води, Ga, кг / с
	вхід, tн1, ? С	вихід, tн2, ? С	вхід, tв1, ? С	вихід, tв2, ? С
7	-22	-31	18	29	12	1,8



РЕФЕРАТ

У курсовій роботі проводиться розрахунок парокомпресійної холодильної установки. Парокомпресійні холодильні машини - це такі установки, в яких стиснення пари здійснюється за допомогою компресора.

Парокомпресійні установки набули поширення в холодильній техніці і технології для охолодження, заморожування і зберігання харчових продуктів через їх енергетичну ефективність (менша витрата енергії в порівнянні з іншими машинами) і меншу екологічну небезпеку.

Як хладоагент в парокомпресійних установках використовуються аміак або фреон. У даній курсовій роботі розрахунок був проведен по фреону, який є найбільш розповсюдженим в сучасних компресійних холодильних установках. Він хімічно стійкий, не токсичний, не взаємодіє з конструкційними матеріалами.

В представленій пояснювальній записці міститься 42 сторінки друкованого тексту. Представлено 6 таблиць, які містять в собі вихідні дані і результати обчислень, а також графічна частина. У першій частині роботи була побудована схема установки, у другій - проведен енергетичной розрахунок установки, у третій - ексергетичний, у четвертій - добір холодильного устаткування.

компресор випарник конденсатор охолоджувач



ЗМІСТ

ВСТУП

1.ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ТИПУ ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

2.СХЕМА ПАРОКОМПРЕСІЙНОЇ ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

3.ЕНЕРГЕТИЧНИЙ РОЗРАХУНОК УСТАНОВКИ

3.1.Побудування термодинамічного циклу установки

3.2.Розрахунок енергетичних параметрів елементів установки

3.3.Розрахунок енергетичного ККД

4.ЕКСЕРГЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ УСТАНОВКИ

4.1.Розрахунок ексергії робочого агента

4.2.Визначення питомих витрат ексергії

5.ДОБІР ХОЛОДИЛЬНОГО УСТАТКУВАННЯ

5.1.Добір холодильного компресора

5.2.Розрахунок і добір випарника

5.3.Розрахунок і добір конденсатора

5.4.Підбір допоміжного обладнання

ВИСНОВОК

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

ДОДАДКИ



ВСТУП

Мета курсової роботи: розрахувати парокопресійну холодильну установку, підібрати холодильне устаткування.

Цілі і задачі курсової роботи:

1. Побудувати схему парокомпресійної холодильної установки.

2. Провести енергетичний розрахунок установки, побудувавши її термодинамічний цикл, розрахувавши параметри на ККД установки.

3. 1.Провести ексергетичний аналіз установки, розрахувавши ексергію робочого агенту та питомі витрати ексергії. Надати рекомендації зі зниження втрат на незворотність в її елементах.

4. Згідно з розрахунками підібрати холодильне устаткування, а саме: компресор,випарник, конденсатор та допоміжне обладнання.

5. Виконати графічну частину роботи, побудувавши цикл холодильної установки у координатах Т - S, H - S, E - H.



1. ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ТИПУ ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

За типом холодоагенту холодильні установки підрозділяються на 2 основні групи:

1. Газові (повітряні) холодильні установки, в яких холодоагентом є повітря, що знаходиться в стані, далекому від лінії насичення.

2. Парові холодильні установки, в яких використовується як холодоагент пара різних речовин, що характеризуються низькою температурою кипіння (аміак, фреон, карбон(ІV) оксид).

Парові холодильні установки підрозділяються на парокомпресійні, пароежекторні та абсорбційні.

Окрему групу складають термоелектричні холодильні установки, принцип дії яких ґрунтується на використовуванні ефекту Пєльтьє, а також установки, що ґрунтуються на ефекті Етінгсхаузена. У холодильних установках цього типу холодоагент відсутній. Холодильні установки, що працюють за температур нижче 120 К називаються криогенними.

Виробництво штучного холоду переважно визначається необхідною температурою охолоджування. Умовно розглядають:

- помірне охолоджування (діапазон температур від кімнатних до - 100 ? С);

- глибоке охолоджування (до температур нижче - 100 ? С).

Для газових холодильних установок розрахунки показують низькі величини відносного холодильного коефіцієнта. Відносний холодильний коефіцієнт - це відношення холодильного коефіцієнта даного циклу до холодильного коефіцієнта зворотного циклу Карно.

Крім того, унаслідок малої теплоємності повітря, теплота теж мала. Тому необхідний великий об'єм циркулюючого повітря і установка виходить громіздкою. Однак використання повітря як холодоагенту перспективне в установках з турбокомпресорами і турбодетандерами.

У хімічній технології часто використовують охолоджену воду з температурою 276…283 К, яку можна одержати або в пароежекторній або в абсорбційній холодильних установках. Ці установки дають змогу зекономити паливно-енергетичні ресурси, оскільки вони можуть використовувати вторинні енергоресурси.

Для одержання температур нижче 273 К використовуються парокомпресійні холодильні установки.

Парокомпресійна холодильна установка має значно більший холодильний коефіцієнт, ніж повітряна холодильна установка, також і холодопродуктивність. Тому є більш термодинамічно досконалою за невеликого температурного перепаду.

Як холодоагент в парокомрпесійних холодильних установках використовують частіше всього аміак або фреон.

Фреони найбільш розповсюджені в сучасних компресійних холодильних установках. Вони хімічно стійкі, не токсичні, не взаємодіють з конструкційними матеріалами.

Аміак широко використовується в поршневих компресійних установках. Основні переваги аміаку: малий питомий об'єм за температур випарювання в основній області його використання, велика теплота паровинекнення, легкість виявлення течі, незначна розчинність у маслі, не оказує корозійної дії на сталеві конструкції.

2. СХЕМА ПАРОКОМПРЕСІЙНОЇ ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

Відповідно до другого закону термодинаміки в основу холодильної установки покладено зворотний цикл, що здійснюється робочим тілом (холодоагентом) внаслідок дії зовнішніх сил.

На схемі холодильної установки (додаток 1) відзначено точки, що відповідають визначеним станам холодоагенту.

Силовим елементом установки є компресор І, який приводиться до руху за допомогою електродвигуна VІІІ. Холодоагент у вигляді сухої насиченої пари (т.1) стискується в компресорі від тиску Р_в (тиск випарювання) до Р_к (тиск конденсації), при цьому температура підвищується з Т_в до Т_р і холодоагент переходить у стан перегрітої пари (т. 2).

У конденсаторі ІІ перегріта пара охолоджується водою до температури конденсування Т_к , що відповідає тиску Р_к (т. 2``) і потім переходить у рідкий стан (т.3) за цієї температури.

В охолоджувачі ІІІ рідкий холодоагент переохолоджується артезіанською водою (процес 3 - 4), після чого надходить у дросельний вентиль ІV.

Процес дроселювання полягає у різкому зниженні тиску рідкого холодоагенту з тиску Р_к до Р_в внаслідок раптового розширення у дроселі. Розширення супроводжується внутрішнім охолодженням робочого тіла з температури Т_к до Т_в і частковим закипанням рідини, тобто утворюється волога насичена пара (т. 5).

З роздільника рідини від пари V, охолоджена рідина надходить у випарник VІ, а частина робочого тіла, що випарилася, повертається в компресор.

Виконавчий орган холодильної установки - випарник VІ є теплообмінником, у якому теплота, яка необхідна для випарювання холодоагенту, відбирається від холодного джерела теплоти, яким є технологічний реактор VІІ.

У якості допоміжного теплоносія використовується незамерзаючий концентрований розчин солей типу CaCl₂ , що циркулює в просторі між корпусом та сорочкою реактора та у випарнику. Рідкий холодоагент у випарнику цілком переходить у стан сухої насиченої пари за температури Т_в і далі передається на вхід компресора. Цикл повторюється. Отже, корисну холодопродуктивність виконує тільки та частина робочого тіла, яка надходить у випарник у рідкому стані.



3. ЕНЕРГЕТИЧНИЙ РОЗРАХУНОК УСТАНОВКИ

Розрахунок ґрунтується на побудуванні циклу холодильної установки внаслідок визначення параметрів робочого тіла на початку і кінці процесів, що складають цикл, тобто визначення координат, характерних точок циклу за допомогою діаграми стану.

Таблиця 3.1- Вихідні дані

Холоди-льний агент	Холодопродуктивність, кВт	Температура розсолу у випарнику	Температура води в конденсаторі	Температура артезіан-ської води, ? С	Витрата артезіан-ської води,кг/с
		На вході tн1,? С	На виході tн2, ? С	На вході tв1,? С	На виході tв2,? С
Фреон-12	50	-22	-31	18	29	12	1,8

3.1 Побудування термодинамічного циклу установки

Розрахункова температура конденсації обчислюється за формулою:

t_к = t_в2 + ?t_к ,

де:

t_в2- температура води на виході з конденсатору;

?t_к - кінцева різниця температур в конденсаторі; приймаємо ?t_к =5 ? С.

Тоді температура конденсації буде дорівнювати:

t_к =29+ 5 = 34 ? С



Розрахункова температура випару обчислюється за формулою:

t_в = t_н2 -?t_в,

де:

t_н2- температура розсолу на виході з випарника;

?t_в - кінцева різниця температур в випарнику. Це значення визначає ефективність роботи установки. Чим вона менше, тим нижче втрати на незворотні процеси. Приймаємо ?t_в = 3 ? С.

Тоді температура випару буде дорівнювати:

t_в = -31- 3 = -34 ? С

Температура фреону-12 після охолодження артезіанською водою:

t₄ = t₃ - ?t_ох,

де:

t₃ - температура фреону-12 на вході в охолоджувач. Згідно схеми установки в охолоджувач надходить фреону-12 у вигляді рідині за температури конденсації. Тобто, t₃ = t_к = 34 ? С.

?t_ох - перепад температур рідкого фреону-12 в охолоджувачі. Задаємося ?t_ох = 10 ? С.

Тоді температура фреону-12 після охолоджувача буде дорівнювати:

t₄ = 34 - 10 = 24 ? С

За знайденими температурами випару і конденсації за допомогою діаграми стану фреону-12 знаходимо тиск відповідно: у випарнику Р_в = 0,08 МПа, в конденсаторі Р_к = 0,84 МПа.

Цих відомостей достатньо для находження вузлових точок циклу, що знаходяться на лінії насичення, знаючі ступінь сухості робочого тіла (х):

т.1 (х = 1) - холодоагент знаходиться у вигляді сухої насиченої пари, що надходить до компресора за температури випару t_в = -34 ? С; кінець випару - початок стиснення.

т.2`` (х = 1) - холодоагент знаходиться у конденсаторі у вигляді сухої насиченої пари за температури конденсації t_к = 34 ? С; початок конденсації.

т.3 (х = 0) - холодоагент знаходиться у вигляді рідини, що надходить до охолоджувача за температури конденсації t_к = 34 ? С; кінець конденсації - початок охолодження.

т.4 (х = 0) - холодоагент знаходиться у вигляді переохолодженої рідини, що надходить до дросельного вентиля за температури t₄ = 24 ? С; кінець охолодження - початок дроселювання.

З метою побудування процесу стиснення задаємося внутрішнім відносним (індикаторним) ККД компресору:

?_і = 0,8

Ідеальний процес стиснення описується ізоентропою S₁ = S_{2`</sub>, де S<sub>2`} - ентропія в точці 2`. Точка 2` - це точка перетину ідеального адіабатного стиснення (перпендикуляр до осі S ) із ізобарою Р_к = 0,84МПа.

За діаграмою стану фреону знаходимо ентальпію перегрітої пари в т.2`:

h_2` = 597,1кДж / кг.

В міру визначення параметрів стану холодоагенту координати точок, що відображають ці стани, заносимо до табл. 3.1.

Ентальпію після реального процесу стиснення (т.2) визначаємо за формулою:

h₂ = h₁ +



h₂ = 558,11+ = 606,8кДж / кг

Процес дроселювання описується лінією постійної ентальпії, тобто:

h₄= h₅ = 440,4кДж / кг.

За діаграмою стану знаходимо т.5 на перетині ізоентальпії h₄ = 440,4кДж / кг з ізобарою - ізотермою випарювання ( t_в = - 34 ? С; Р_в = 0,084 МПа). S₅ = 4,31кДж /(кг•К).

Ступінь сухості вологої насиченої пари після дроселювання можна визначити за діаграмою з допомогою ліній рівної ступені сухості або графоаналітичним шляхом. Скористуємося допоміжною точкою 6 (х = 0; t_в = -34 ? С). Ентропія в цій точці дорівнює S₆ = 4,05 кДж / (кг •К). Тоді ступінь сухості в точці 5 буде виражатися таким співвідношенням відрізків:

Визначаємо термодинамічні параметри для всіх точок циклу і заносимо їх до табл.3.1.

Таблиця 3.1 - Параметри стану фреону-12 в термодинамічному циклі холодильної установки

№ точек	Температура	Тиск Р,МПа	Ентальпія h , кДж / кг	Ентропія S , кДж/(кг•К)	Питомий об'єм V, м3/кг	Ступінь сухості х	Ексергія Е, кДж / кг
	t, ? C	T, K
1	-34	239	0,08	558,11	4,78	0,17	1	1,42
2	63	336	0,84	606,8	4,8	0,0225	-	44,29
2`	48	321	0,84	597,1	4,78	0,0225	-	40,41
2``	34	307	0,84	587,86	4,76	0,0225	1	36,99
3	34	307	0,84	450,8	4,30	0,001	0	33,79
4	24	297	0,63	440,4	4,28	0,001	0	29,21
5	-34	239	0,08	440,4	4,31	0,068	0,36	20,48
6	-34	239	0,08	388,4	4,06	0,001	0	41,23

Будуємо цикл холодильної установки в координатах Т - S (графік 1) і H - S (графік 2).

3.2 Розрахунок енергетичних параметрів елементів установки

Ступень підвищення стиснення в компресорі розраховуємо за формулою:

Оскільки ступінь стиснення виявилася менше 11, то система одноступінчата.

Знаходимо питому роботу в процесі ідеального (ізоентропного) процесу стиснення:

l_а = h_2` - h₁

l_а =597,1- 558,11 = 38,99кДж/кг

Визначаємо внутрішню роботу компресора на одиницю витрати робочого агента:

= 48,74 кДж/кг



Визначаємо питому кількість підведеної та відведеної теплоти на один кілограм холодоагенту в окремих елементах установки.

Питома кількість теплоти, підведеної до робочого тіла у випарнику, тобто питома масова холодопродуктивність робочого тіла в циклі розраховується за формулою:

q₀ = h₁ - h₅

q₀ = 558,11 - 440,4 = 117,71 кДж/кг

Питома кількість теплоти, відведеної від конденсатора:

q_конд = h₂-h₃

q_конд = 606,8- 450,8 = 156кДж/кг

Питоме відведення теплоти в охолоджувачі:

q_ох = h₃ - h₄

q_ох = 450,8 - 440,4=10,5кДж/кг

У процесі дроселювання теплота не відводиться і не підводиться, тобто h₄= h₅.

Складаємо енергетичний баланс системи. Кількість теплоти, яка підводиться до системи, повинна дорівнювати кількості теплоти, яка відводиться від системи:

l_i+q₀ = q_конд + q_ох

48,74 +117,71 = 156 + 10,5

166,4 = 166,4кДж/кг

Енергетичний баланс сходиться.

Знаходимо теоретичний холодильний коефіцієнт циклу за формулою:



Знаходимо масову витрату робочого тіла, яка необхідна для забезпечення заданої холодопродуктивності:

де Q₀- холодопродуктивність всієї установки; за умовами розрахунку Q₀ = 50кВт.

Необхідна об'ємна продуктивність за умовами засмоктування:

V_д = G•V₁

де V₁ - питомий об'єм холодоагенту в точці 1.

V_д = 0,425 • 0,17 = 0,0723 м³/с

Сумарний об'єм, який описує поршень за одиницю часу знаходимо за формулою:

де л -коефіцієнтподаннякомпресора. Знаходимо л як функцію від ступені підвищення тиску б за графіком, зображеним на мал. 3.1. л = 0,5.



Коефіцієнт подачі компрессора

Мал. 3.1 - Графік залежності коефіцієнта подання компресора л від ступені підвищення тиску б

За величиною V_h = 0,151 м³/с =543,6 м³/год вибираємо холодильний поршневий компресор (додаток 1), у якого теоретична об'ємна продуктивність = 684 м³/год = 0,19 м³/с.

Дійсна об'ємна продуктивність компресору:

0,19 • 0,48= 0,0912 м³/с

Масова витрата обраного компресора:

G^k =



G^k = = 0,536 кг/с

3.3 Розрахунок енергетичного ККД

Знайдемо середню температуру тепловіддавача за формулою:

= 246,5 К

Температура зовнішнього середовища дорівнює температурі води на вході в конденсатор:

Т_з.с. = Т_в1 = 291 К.

Питомі затрати електроенергії на одиницю виробленого холоду в ідеальному циклі становлять:

Е_н = - 1 = 0,18

Знаходимо питому роботу на одиницю виробленого холоду за формулою:

де ?_ем- електромеханічний ККД компресора; приймаємо?_ем = 0,85.



Холодильний коефіцієнт установки:

Знаходимо енергетичний ККД всієї установки за формулою:

Знаходимо енергетичний ККД всієї установки за формулою:

?_ех = Е_н • ?

?_ех = 0,18 • 2,04 = 0,37



4. ЕКСЕРГЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ УСТАНОВКИ

Ексергією в термодинаміці прийнято називати максимальну корисну роботу. Якщо параметри навколишнього середовища задані, то ексергію можна розглядати як функцію стану робочого тіла.

Ексергія системи, яка знаходиться у даному стані вимірюється кількістю механічної або іншої, повністю перетвореної енергії, яка може бути одержана від системи унаслідок її зворотного переходу із даного стану у стан рівноваги з навколишнім середовищем. Із першого та другого законів термодинаміки безпосередньо виходить, що в кожному даному стані ексергія системи, також як і енергія, має визначене фіксоване значення.

Ексергія системи, яка знаходиться у навколишньому середовищі з постійними параметрами, залишається незміною тільки під час зворотного проведення всіх процесів, що відбуваються як всередині неї, так і в процесі взаємодії з навколишнім середовищем. Якщо будь-які із цих взаємодій проходять незворотне, то ексергія відповідно зменшується.

Ця основна властивість ексергії дає змогу використовувати її як міру зворотності того чи іншого процесу. Різниця значень ексергії, яка вводиться в дану систему та яка виводиться з системи визначає сумарні втрати від незворотності в системі, що проявляються як знищення ексергії.

Розглянемо зміни ексергії для даного прикладу холодильної установки.

Ексергія вводиться в систему у вигляді електричної енергії, яка живить електродвигун компресора. За рахунок ККД електродвигуна, відбувається втрата ексергії d_ем, тут втрачається близько 15 % всієї енергії, що вводиться. Далі частина енергії губиться в самому компресорі, що обумовлено наявністю у самому компресорі внутрішнього відносного ККД.

В конденсаторі присутні втрати ексергії двох видів: втрати ексергії, яка відводиться охолоджуючою водою і втрати ексергії на незворотність. У разі використані тепла, що відводиться для теплопостачання або для інших корисних цілей, ця втрата ексергії може бути значно знижена, якщо установити перед конденсатором протитечій ний охолоджувач перегрітої пари, працюючий з невеликою кінцевою різницею температури. Тобто втрачаємо ексергія може бути використана для створення вторинних енергоресурсів (ВЕР).

В охолоджувачі частина ексергії губиться на нагрівання артезіанської води та на незворотність.

У випарнику від фреону відводиться енергія, яка називається ексергією холоду. Із ексергії, яка відводиться у випарнику, частина передається тілу, що охолоджується у вигляді ексергетичної холодопродуктивності, а частина губиться через незворотність теплообміну в випарнику.

4.1 Розрахунокексергіїробочого агента

Значення ексергії в вузлових точках процесу визначаємо за формулою:

e_i = h_i- h_з.c.- T_з.c.•(S_i-S_з.c.)

де h_i та S_i - ентальпія та ентропія відповідних вузлових точок;

h_з.с. та з S_з.с. - ентальпія та ентропія зовнішнього середовища за заданих умов Т_з.с.= 291К

К та Р_а.з. = 0,1 МПа. Находимо ці значення за допомогою діаграми стану фреону-12.

h_а.з. = 586,5 кДж / кг; S_з.с. = 4,87 кДж / (кг • К).

Знайдені за формулою 4.1. ексергії для вузлових точок заносимо до табл. 3.1.

e₁ = 558,11 - 588,7 - 291•(4,78 - 4,89) = 1,42 кДж/кгв

е₂ = 606,8 - 588,7 - 291•(4,8 - 4,89) = 44,29 кДж/кг

е_2` = 597,1- 588,7 - 291•(4,78- 4,89) = 40,41 кДж/кг

е_2`` = 587,86 - 588,7 - 291•(4,76 - 4,89) = 36,99 кДж/кг

е₃ = 450,8 - 588,7 - 291•(4,30- 4,89) = 33,79кДж/кг

е₄ = 440,4- 588,7 - 291•(4,28 - 4,89) = 29,21 кДж/кг

е₅ = 440,4- 588,7 - 291•(4,31- 4,89) = 20,48кДж/кг

е₆ = 388,4 - 588,7 - 291•(4,06 - 4,89) = 41,23 кДж/кг

Будуємо цикл холодильної установки в координатах Е - H (графік 3).

4.2 Визначення питомих витрат ексергії

Визначаємо електричну потужність компресору за формулою:

= E_x • Q₀

= 0,49 • 50 = 24,5кДж/кг

Питома кількість енергії, яка підводиться у вигляді електричної енергії до електродвигуна компресору:

кДж/кг

Питомі електромеханічні втрати в компресорі становлять:

d_ем = е_вх• (1 - ?_ем)

d_ем = 45,71 • (1 - 0,85) = 6,86 кДж/кг

До компресору вводиться два потоку ексергії: електрична енергія (е_вх• ?_ем ) і ексергія робочого агента, що всмоктується е₁ ; із компресору відводиться ексергія потоку робочого агента е₂ .

Тоді внутрішні втрати в компресорі становлять:



d_к = e_вх • ?_ем + e₁ - e₂

d_к = 45,71• 0,85 + 1,42 - 44,29 = 4,1кДж/кг

d_к= • е_вх= 0,09 • е_вх

Ексергія, яка відводиться з конденсатора:

е_конд1 = е₂ - е₃

е_конд1 = 44,29-37,79= 6,5кДж/кг

е_конд1 =0,14 • е_вх

Втрата ексергії в конденсаторі складається з ексергії, яка відводиться охолоджуючою водою та ексергії, яка губиться через незворотність теплообміну між робочим агентом і охолоджуючою водою.

Ексергія, яка відводиться охолоджуючою водою приблизно визначається за формулою:

е_конд2 = q_конд ? ф_е

де ф_е- коефіцієнт працездатності тепла або ексергетичні температурна функція, що визначає кількість роботи, яку можна получити в ідеальному циклі от одиниці тепла.

ф_е = 1 -

де Т_в.ср- середня температура тепловіддавача (вода віддає тепло навколишньому середовищу).



= 296,5 К

За температури зовнішнього середовища 293 К визначаємо ексергетичну температурну функцію:

ф_е = 1 - = 0,012

Оцінюємо величину ексергії, що відводиться охолоджуючою водою за формулою 4.7:

е_конд2 = 156• 0,012 = 1,872

е_конд2 = 0,032• е_вх

Визначаємо ексергію, яка губиться через незворотність процесу в конденсаторі за формулою:

d_конд = е_конд1 - е_конд2

d_конд=6,5-1,872= 4,628кДж/кг

d_конд =0,35•е_вх

Втрати ексергії в охолоджувачі розраховуємо за формулою:

d_ох= е₃- е₄

d_ох=33,79-29,21 = 4,58 кДж/кг

d_ох= 0,1•е_вх

Втрати ексергії у дросельному вентилі розраховуємо за формулою:



d_др= е₄- е₅

d_др=29,21-26,48 = 2,73 кДж/кг

d_др = 0,191•е_вх

Визначаємо ексергію, яка відводиться в випарнику за формулою:

?е_в = е₅ - е₁

?е_в =20,48-1,42= 19,06кДж/кг

Із ексергії, яка відводиться у випарнику тільки частина використовується у вигляді ексергетичної холодопродуктивності. Її значення розраховуємо за формулою:

q_e,0 = q₀•(-ф_е.н)

де ф_е.н - коефіцієнт працездатності одержаного холоду, який визначається за формулою:

ф_е.н = 1 -

ф_е.н = 1 - = - 0,181

Визначаємо ексергетичну холодопродуктивність за формулою 4.14:

q_e,0 =117,71•0,181 = 18,7кДж/кг

q_e,0 = 0,409•е_вх

Кількість ексергії, яка губиться через незворотний теплообмін у випарнику визначаємо за формулою:



d_в = ?е_в - q_е,0

d_в = 21,3- 19,06 = 2,24

d_в = 0,049• е_вх

Для перевірки розрахунків складаємо питомий ексергетичний баланс холодильної установки.

Підведена ексергія:

е_вх= 45,71кДж/кг = 100%

Відведена ексергія:

1. Втрати в компресорі:

d_ем +d_к = 6,86+4,1= 10,96 кДж/кг = 15 +8,97 = 23,97%

2. Втрати в конденсаторі:

е_конд2 + d_конд= 1,872+4,628 = 6,5 кДж/кг = 4,09+ 10,12 = 14,21%

3. Втрати в охолоджувачі:

d_ох=4,58кДж/кг = 10,02%

4. Втрати у дросельному вентилі:

d_др= 2,73кДж/кг = 6%

5. Втрати у випарнику:

d_в= 2,24кДж/кг = 4,8%

6. Ексергетична холодопродуктивність:

q_е,0 = 18,7кДж/кг = 40,91%

Всього:

45,71кДж / кг = 100 %.

Отже, ексергетичний баланс сходиться, і ексергія, яка вводиться в установку дорівнює сумі всіх її витрат у циклі холодильної установки, включаючи корисну холодопродуктивність.

Графічно ексергетичний баланс повинен бути поданий на діаграмі потоків і втрат ексергії (діаграмі Грассмана - Шаргута). На даній діаграмі стрічкових потоків і втрат ексергії (додаток 2) знаходять свій відбуток всі втрати ексергії. За діаграмою можна судити про ексергетичну холодопродуктивність холодильної установки.



5. ДОБІР ХОЛОДИЛЬНОГО УСТАТКУВАННЯ

5.1 Добір холодильного компресора

Компресор є основним силовим елементом холодильної установки. Він відсмоктує пару холодоагенту з випарника, стискає її і нагнітає в конденсатор. Компресор повинен задовольняти таким основним вимогам:

- нескладність конструкції;

- простота і надійність в експлуатації;

- уніфікація деталей;

- малі габарити і порівняно невелика маса.

Записуємо технічні характеристики обраного раніше поршневого компресора ФУ- 120 з теоретичною об'ємною продуктивністю= 0,19 м³/с у табл. 5.1.

Таблиця 5.1 - Технічні характеристики компресора

Тип компресора	УП
Число циліндрів	4
Хід поршня, мм	140
Діаметр циліндра, мм	190
Швидкість обертання валу, об/хв	720
Мертвий об'єм	-
Потужність електродвигуна, кВт	75
Зняття холоду з 1 кг маси, Вт	100
Маса компресорного агрегату з маховиком, кг	1400

Знаходимо теоретичну потужність, що використовується компресором за формулою:



0,536 • 38,99=20,9 кВт

Вичислюємо індикаторну потужність за формулою:

= 26,125кВт

Розраховуємо потужність на подолання сил тертя в компресорі за формулою:

де -умовна величина питомого тиску тертя;для фреонових машин =40кПа 40 • 0,19 = 7,6кВт

Находимо ефективну потужність, яка використовується компресором за формулою:

26,125+ 7,6 = 33,725 кВт

Визначаємо електричну потужність, яка споживається компресором з мережі за формулою:

= 39,67кВт

Обираємо комплектний електродвигун потужністю 50 кВт.

Визначаємо величину теплових перевантажень на елементи установки.

Теплове навантаження на випарник:

Q_в = q₀ • G^k

Q_в = 117,71• 0,536 = 62,86кВт

Теплове навантаження на конденсатор:

Q_конд = q_конд • G^k

Q_конд = 156 • 0,536 = 83,62 кВт

Теплове навантаження на охолоджувач:

Q_ох = q_ох • G^k

Q_ох = 10,02 • 0,536= 5,37 кВт

Складаємо енергетичний баланс:

Q_в + = Q_ох + Q_конд

62,86+26,125= 5,37+83,62

88,99= 88,99 кВт

Баланс сходиться.

Визначаємо температуру артезіанської води на виході з охолоджувача за формулою:

де t_a1- температура артезіанської води на вході в охолоджувач;

G_а - витрата артезіанської води в охолоджувачі;

с - теплоємність води; с = 4,19 кДж / (кг • ? С).

= 12,65 ? С

Зміна температур потоків у конденсаторі, випарнику та охолоджувачі зображена на додатку 3.

5.2 Розрахунок і добір випарника

Випарник - це теплообмінний апарат, у якому холодоагент кипить за рахунок теплоти, що приймається від холодного джерела тепла. Теплообмін між тілом, що охолоджується (розсолом) та холодоагентом здійснюється через стінки труб. Головна вимога, яка пред'являється до випарника - висока ефективність теплопередачі з мінімальними втратами на незворотність.

У якості розсолу використовуємо водний розчин кальцій хлориду, концентрація якого визначається з умови незамерзання розчину до температур, на 7 ч 10 ? С нижче температури кипіння фреону у випарнику.

Температура начала затвердіння розчину:

t_затв ? t_в - (7ч 10)

t_затв = -28 - (7ч 10) ? С

t_затв = -35ч -38 ? С

Вибираємо розчин концентрацією солі 27,5 % з температурою затвердіння t_затв = -35,6 ? С. Знаходимо середній температурний напір у випарнику за формулою:



= = 6,47 ? С

Розраховуємо середню температуру холодоагенту у випарнику за формулою:

t_х.ср= t_в + _в

t_х.ср= -28 + 6,82 = -21,18 ? С

Коефіцієнт теплопередачі кожухотрубних випарників коливається в межах 230…350 Вт/(м² • К) для фреону-12. Для даних умов приймемо коефіцієнт теплопередачі К = 300 Вт/(м² • К).

Знаходимо щільність теплового потоку випарника формулою:

q_F(в) = К • _в

q_F(в) = 300 • 6,47 = 1941 Вт/м²

Розраховуємо необхідну поверхню теплообміну за формулою:

де Q_в - теплове навантаження на випарник; Q_в = 62,86кВт = 62860 Вт;

= 32,38м²

Підбираємо фреоновий випарник, технічні характеристики якого записуємо у табл. 5.2.



Таблиця 5.2 - Технічні характеристики випарника

Площа випару, м2	35
Число труб	121
Число ходів	4
Діаметр, мм	500
Довжина, мм	2500

Розраховуємо кількість розсолу, що циркулює у випарнику за формулою:

де с - теплоємність розчину кальцій хлориду; с = 2,809 кДж/(кг • К).

=2,5кг/с =9000кг/год

Визначаємо об'єм розсолу, що циркулює у випарнику за формулою:

де с - густина розчину кальцію; за довідковими даними с = 1260 кг/м³.

=7,14м³/год

5.3 Розрахунок і добір конденсатора

Головна вимога, що пред'являється до конденсатора, як до одного з основних теплообмінних апаратів холодильної машини - висока інтенсивність теплопередачі, що дає змогу скоротити незворотні втрати в конденсаторі і тим самим підвищити коефіцієнт роботи всієї холодильної машини.

Коефіцієнт теплопередачі конденсатора залежить від інтенсивності тепловіддачі в процесі конденсації пари холодильного агента, від швидкості протікання охолоджуючої води, від ступеня забрудненості теплопередаючої поверхні маслом і накипом.

Коефіцієнт тепловіддачі в процесі конденсації пари залежить від характеру утворення конденсату і швидкості його стікання теплопередаючою поверхнею, від швидкості і напряму руху пари холодильного агента, від наявності в системі повітря і газів, що не конденсуються, від стану теплопередаючій поверхні.

Конденсатори повинні бути прості за конструкцією, зручні для очищення від забруднень і ремонту та невимогливі до якості охолоджуючої води.

Вибираємо горизонтальний кожухотрубний конденсатор.

Розраховуємо середній температурний напір в конденсаторі за формулою:

= = 9,48 ? С

Коефіцієнт теплопередачі для фреону-12 коливається в межах 460 ч 580 Вт/(м² • К). Приймемо К = 500 Вт/(м² • К).

Знаходимо щільність теплового потоку конденсатора за формулою:

q_F(конд) = К • _конд

q_F(конд) = 500 • 9,48 = 4 741,4 Вт/м²



Розраховуємо необхідну поверхню теплообміну за формулою:

де Q_конд - теплове навантаження на конденсатор; Q_конд = 83,62 кВт = 83620Вт;

= 17,64м²

Підбираємо конденсатор марки 20КТГ, технічні характеристики якого записуємо у табл. 5.3.

Таблиця 5.3 - Технічні характеристики конденсатора

Поверхня, м2	20
Число труб	144
Число ходів	8
Діаметр, мм	500
Довжина, мм	2930
Ширина, мм	810
Висота, мм	910
Довжина обичайки, мм	2500
Діаметр патрубків, мм: d	50
d1	25
d2	70
d3	10
d4	20

5.4 Підбір допоміжного обладнання

Додаткові охолоджуючі пристрої.

В промислових холодильних установках додаткове охолодження рідкого холодильного агенту перед подачею його в випарну систему проводять водою в двохтрубних апаратах.

З метою економії свіжої води, воду з конденсатора, що відходить направляють до устрою для її охолодження - градирню або бризкальний басейн. Тут вода охолоджується унаслідок конвекції та часткового випару, віддав отримане в конденсаторі тепло навколишньому повітрю.

Додають свіжу воду тільки для компенсації втрат від випару і розбризкування, що становить 5…10 % від кількості води, що протікає через конденсатор.

Рекомендується для охолодження оборотної води установлювати переважно вентиляторні градирні. Установка бризкальних басейнів доцільна тільки для тих випадків, коли є вільна площа.

Пристрої для зм'якшування технічної води.

Для охолодження конденсаторів холодильної установки допустима вода с вмістом в ній завислих твердих часток від 100 до 200 г/м³, та карбонатною жорсткістю от 2 до 7 мг - екв/л за температури нагріву від 20 до 50 ? С і вмістом вільної вуглекислоти від 10 до 100 г/м³.

Для очищення природних вод та промислових стоків від мінеральних домішок використовують дистиляцію, йонний обмін, зворотний осмос, електричні та реагентні методи.

Найбільш простий, зручний та дешевий спосіб пом'якшення води - це натрійкатіонування. В процесі катіонного обміну солі жорсткості перетворюються у солі натрію, які мають високу розчинність.

Брудоуловлювачі.

Призначення брудоуловлювача - захистити циліндри компресора від попадання твердих часток, що можуть викликати задирки і риски на дзеркалі циліндрів. Брудоуловлювач вмонтовують на всмоктувальної стороні, поблизу від компресора.

Брудоуловлювач складається із корпуса, в який вставлена двійна мілка дротяна сітка. Для очищення сітки і внутрішній поверхні корпуса брудоуловлювача від забруднень на його торцевий стороні укріплена знімна кришка. Брудоуловлювач покривають ізоляцією для зменшення притоку тепла ззовні.

У сучасних компресорів брудоуловлювачі вмонтовані в газовий колектор.

Масловіддільники.

Масловіддільник призначений для відділення змащувального масла, що поступає до нього з гарячою парою холодоагенту з циліндра компресора. Частинки масла відділяються унаслідок зміни напряму руху пари холодоагенту, що поступає в масловіддільник з нагнітального трубопроводу, і значного зменшення швидкості руху.

Частинки масла, як важчі, осідають на дно масловіддільника, а гаряча пара холодоагенту, як легш, підіймаються, прямуючи до конденсатора. У таких апаратах можна відділити лише крапельки масла; легкі фракції масла, що знаходяться в пароподібному стані, можна видалити лише після охолоджування пари холодоагенту і виділення цих фракцій масла в рідкому вигляді.

Масловіддільники вмонтовують на нагнітальній стороні між компресором і конденсатором, бажано ближче до останнього, щоб забезпечити найбільше охолоджування пари перед відділенням масла.

Ресивери.

Залежно від призначення ресивери ділять на три групи - лінійні, дренажні, циркуляційні.

Призначення лінійного ресивера - звільнити конденсатор від рідкого холодильного агента і забезпечити рівномірне його надходження до регулюючої станції. Дренажний ресивер призначений для спуску в нього рідкого холодильного агента з батарей перед зняттям з них снігової шуби. Цей ресивер покривають ізоляцією. Циркуляційні ресивери застосовують в насосних схемах.

Лінійні ресивери встановлюють на стороні високого тиску. Їх вмонтовують нижче конденсатора, передбачивши зрівняльну лінію до останнього, а в агрегатованих фреонових установках ресивери встановлюють іноді вище конденсатора і без зрівняльної лінії. В цьому випадку рідкий фреон поступає в ресивер пульсуючим потоком в міру заповнення конденсатора.

Віддільники рідкого холодоагенту.

У віддільнику частинки рідини, захоплені з випарної системи, відділяються від пари холодильного агента. Відділення частинок рідкого холодоагенту обумовлюється зміною напряму і значним зменшенням швидкості руху холодної пари, що поступає у віддільника з випарної системи. Частинки рідкого холодоагенту, як важчі, осідають на дно віддільника, а пара холодоагенту, як легша підіймається вгору, звідки відсмоктується компресором. Рідкий холодильний агент з віддільника стікає у випарник.



ВИСНОВОК

Виконуючи першу частину курсової роботи, була наведена схема установки, що дозволяє наочно визначити стан холодоагенту за дією кожного з елементів установки.

Виконуючи другу частину, був проведен енергетичний розрахунок установки, підчас якого був побудован термодинамічний цикл установки, розраховані енергетичні параметри елементів установки та енергетичний ККД.

У третій частині роботи виконали ексергетичний аналіз установки. А саме, розрахували ексергії робочого тіла за допомогою вихідних даних та визначили питомі витрати ексергії.

Найважливішою є четверта частина курсової роботи, у якій був проведен добір холодильного устаткування. Першим був підібран компресор, який є основним силовим елементом холодильної установки. Він відсмоктує пару холодоагенту з випарника, стискає її і нагнітає в конденсатор. Також був пдібран електродвигун для нього із потужністю 50 кВт. Далі, розрахувавши зміні температур у конденсаторі, випарнику та охолоджувачі, розрахували випарник - теплообмінний апарат, у якому холодоагент кипить за рахунок теплоти, що приймається від холодного джерела тепла. Після випарника розрахували і підібрали горизонтальний кожухотрубний конденсатор марки 20КТГ, основною вимогою якого є висока інтенсивність теплопередачі, що дає змогу скоротити незворотні втрати в конденсаторі і тим самим підвищити коефіцієнт роботи всієї холодильної машини. У якості допоміжного обладнання підібрали додаткові охолоджуючі пристрої, для зм'якшування технічної води, брудоуловлювачі, масловіддільники, ресивери та віддільники рідкого холодоагенту.



СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.Семенишин Є.М. Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів: навчальний посібник / Є.М. Семенишин, М.С. Мальований - Львів: Видавництво національного університету "Львівська політехніка", 2005. - 420 с.

2.Теплотехника. / под ред. В.И. Крутова. - М.: Машиностроение, 1986. - 432 с.

3.Баскаков А.П. Теплотехника / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К Витт и др. - М.: Энергоиздат, 1991. - 224 с.

4.Архаров А.М. Теплотехника / А.М. Архаров, С.И. Исаев, И.А. Кожинов И.А. - М.: Машиностроение, 1986.

5.Кириллин В.А. Техническая термодинаміка / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейдлин - М.: Энергоиздат, 1983.

6.Соколов Е.Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения / Е.Я. Соколов, В.М. Бродянский - М.: Энергоиздат, 1981.

7.Лейтес И.Л. Теория и практика химической энерготехнологии / И.Л. Лейтес, М.Х. Сосна, В.П. Семенов - М.: Химия, 1998.

Размещено на Allbest.ru

...