eng
Содержание
Содержание
Глава 1. Рабочий процесс производства холода ............................................... 11
1.1.
Обратимый цикл Карно в T,s-диаграмме ...................................................... 12
1.2.
Теоретический цикл в T,s-диаграмме ............................................................ 13
1.3.
Действительный цикл в T,s-диаграмме .......................................................... 14
1.4.
Теоретический и действительный циклы в lgP,h-диаграмме ....................... 15
1.5.
Контрольные задания....................................................................................... 16
Глава 2. Основы проектирования холодильной установки..................................... 19
2.1.
Расчет расхода холода ...................................................................................... 19
2.1.1.
Расчет составляющих внешней нагрузки ............................................ 19
2.1.1.1.
Расчет теплопритоков через ограждения камеры .................... 19
2.1.1.2.
Расчет теплопритока в результате воздухообмена ................... 22
2.1.1.3.
Расчет теплопритока при открывании дверей ......................... 22
2.1.2.
Расчет внутренних теплопритоков ....................................................... 27
2.1.2.1.
Эксплуатационные теплопритоки ............................................. 27
2.1.2.2.
Теплопритоки от продуктов
при их холодильной обработке .................................................. 28
2.1.3.
Контрольные задания ............................................................................ 33
2.2.
Расчет и подбор воздухоохладителей.............................................................. 36
2.2.1.
Расчет воздухоохладителей для холодильных камер ......................... 40
2.2.2.
Контрольные задания ........................................................................... 44
2.3.
Выбор параметров холодильного компрессорного агрегата ........................ 46
2.3.1.
Области применения и технические характеристики
компрессоров ........................................................................................ 46
2.3.2.
Технические характеристики выбранных компрессоров ................. 50
2.3.3.
Падение давления во всасывающей линии ....................................... 51
2.3.4.
Выбор конденсаторных агрегатов с воздушным охлаждением........ 52
2.3.5.
Контрольные задания ........................................................................... 55
2.4.
Расчет конденсаторов с воздушным охлаждением ....................................... 57
2.4.1.
Практический пример .......................................................................... 57
2.4.2.
Выбор конденсаторов с осевым вентилятором ................................. 64
2.4.2.1.
Выбор единого конденсатора для двух холодильных
установок ...................................................................................... 73
2.4.3.
Проектирование конденсатора с радиальным вентилятором .......... 75
2.4.3.1.
Практический пример ................................................................ 75
2.4.3.2.
Выбор конденсатора с радиальным вентилятором .................. 78
2.4.4.
Контрольные задания ........................................................................... 83
2.5.
Расчет трубопроводов холодильной установки ............................................. 84
2.5.1.
Скорость движения хладагента и потеря давления
в трубопроводах .................................................................................... 86
2.5.2.
Выбор параметров всасывающего трубопровода
по табличным данным ......................................................................... 91
2.5.3.
Выбор параметров конденсаторного и жидкостного
трубопроводов по табличным данным ............................................. 104
2.5.4.
Выбор параметров нагнетательного трубопровода
по табличным данным ....................................................................... 106
2.5.5.
Расчет всасывающего трубопровода с использованием
номограммы ....................................................................................... 107
2.5.6.
Расчет конденсаторного и жидкостного трубопроводов
с помощью номограммы ................................................................... 110
2.5.7.
Расчет нагнетательного трубопровода с помощью номограммы ....... 110
2.5.8.
Выбор параметров секционированных трубопроводов
на стороне всасывания и нагнетания .............................................. 113
2.5.8.1.
Расчет секционированного нагнетательного трубопровода ....... 113
2.6.
Выбор вспомогательных элементов холодильной установки .................... 116
2.6.1.
Расчет терморегулирующего вентиля ................................................. 116
2.6.1.1.
Контрольные задания ............................................................... 122
2.6.2.
Электромагнитный клапан (MV) ........................................................ 126
2.6.2.1.
Расчет электромагнитного клапана ......................................... 128
2.6.2.2.
Контрольные задания ............................................................... 135
2.6.3.
Осушитель для хладагента ................................................................. 139
2.6.3.1.
Контрольные задания ............................................................... 140
ЧАСТЬ II ................................................................................................................ 143
Глава 3. Предварительная схема проектирования холодильной установки ........... 145
Глава 4. Практические проекты холодильных установок .................................... 146
4.1.
Проект: холодильная камера «под ключ» .................................................... 146
4.1.1.
Исходная ситуация ............................................................................. 146
4.1.2.
Определение базовых данных, необходимых для проектирования
холодильной установки ...................................................................... 147
4.1.3.
Расчет расхода холода ........................................................................ 147
4.1.3.1.
Теплоприток через ограждения камеры ................................. 147
4.1.3.2.
Расход холода на освещение и вентиляцию........................... 148
4.1.3.3.
Воздухообмен при открытой двери холодильной камеры .... 149
4.1.3.4.
Расход холода на охлаждение продукта .................................. 149
4.1.4.
Калькуляция холодильной установки .............................................. 150
4.1.5.
Предложение ....................................................................................... 151
4.1.6.
Контрольные задания ......................................................................... 153
4.2.
Проект: камера для охлаждения мяса .......................................................... 160
4.2.1.
Исходная ситуация ............................................................................. 160
4.2.2.
Определение базовых данных, необходимых
для проектирования холодильной установки .................................. 161
4.2.3.
Расчет расхода холода ........................................................................ 162
4.2.3.1.
Дополнения и пояснения к расчетному формуляру BFS ........ 162
4.2.4.
Определение параметров трубопроводов для хладагентов
по таблицам Брайденбаха .................................................................. 182
4.2.4.1.
Всасывающий трубопровод ...................................................... 182
4.2.4.2.
Жидкостный трубопровод ........................................................ 185
4.2.4.3.
Нагнетательный и конденсаторный трубопроводы ............... 187
4.2.4.4.
Подборка длин трубопроводов и фитингов для выполнения
калькуляции ............................................................................... 187
4.2.4.5.
Скорость движения инжектируемого газа .............................. 187
4.2.5.
Выбор фильтра-осушителя для хладагента ...................................... 188
4.2.6.
Проектирование электромагнитного клапана,
монтируемого в жидкостном трубопроводе ..................................... 188
4.2.6.1.
Расчет величины пропускной способности ........................... 196
4.2.6.2.
Общая разность температур в жидкостном трубопроводе .... 197
4.2.7.
Расчет терморегулирующих вентилей............................................... 198
4.2.8.
Выбор смотрового стекла с индикатором влажности ..................... 203
4.2.9.
Диаграмма определения толщины изоляционного покрытия
Armaflex для всасывающего трубопровода ....................................... 203
4.2.10.
Вычисление объема заправки хладагента
для холодильной установки ............................................................... 205
4.2.11.
Предохранительный клапан .............................................................. 205
4.2.12.
Время, необходимое для монтажа .................................................... 206
4.2.13.
Калькуляция холодильной установки .............................................. 207
4.2.14.
Предложение ....................................................................................... 210
4.2.15.
Технологическая схема и электрическая схема соединений ......... 213
4.2.16.
Контрольные задания ......................................................................... 219
4.3.
Проект: низкотемпературный склад ............................................................. 226
4.3.1.
Исходная ситуация ............................................................................... 226
4.3.2.
Определение базовых данных, необходимых
для проектирования холодильной установки .................................. 228
4.3.3.
Расчет расхода холода (с целесообразным округлением
вычисленных значений) ..................................................................... 228
4.3.3.1.
Низкотемпературный склад ...................................................... 228
4.3.3.2.
Помещение для подготовки холодильных контейнеров............ 231
4.3.3.3.
Камера предварительного охлаждения контейнеров ............. 232
4.3.4.
Выбор испарителей .............................................................................. 233
4.3.4.1.
Испарители для низкотемпературного склада ........................ 233
4.3.4.2.
Испарители для камеры предварительного охлаждения
контейнеров ............................................................................... 235
4.3.4.3.
Испарители для камеры размещения и подготовки
охлаждаемых контейнеров........................................................ 236
4.3.4.4.
Итоговые данные ....................................................................... 236
4.3.5.
Выбор одноступенчатого поршневого компаунд-компрессора ........... 236
4.3.6.
Выбор винтового компаунд-компрессора ......................................... 236
4.3.7.
Определение параметров трубопроводов для хладагента ................. 242
4.3.7.1.
Всасывающий трубопровод для R 507 ..................................... 242
4.3.7.2.
Жидкостный трубопровод ........................................................ 245
4.3.7.3.
Нагнетательный трубопровод ................................................... 247
4.3.7.4.
Трубопровод конденсаторный .................................................. 247
4.3.8.
Теплоизоляция Armaflex для всасывающего и жидкостного
трубопроводов ..................................................................................... 247
4.3.8.1.
Таблица требуемых длин трубопроводов ................................. 247
4.3.9.
Проектирование элементов системы управления и контроля ........ 248
4.3.9.1.
Терморегулирующие вентили фирмы Alco ............................. 248
4.3.9.2.
Электромагнитные клапаны фирмы Alco
при использовании жидкости .................................................. 248
4.3.9.3.
Электромагнитные клапаны фирмы Alco
при использовании всасываемого газа ................................... 249
4.3.9.4.
Электромагнитные клапаны фирмы Alco
при использовании перегретого газа ....................................... 249
4.3.9.5.
Запорные шаровые клапаны фирмы Alco
для каждого испарителя ........................................................... 249
4.3.9.6.
Смотровые стекла с индикатором влажности фирмы Alco
для каждого испарителя ........................................................... 249
4.3.9.7.
Фильтры-осушители хладагента для каждого
испарителя.................................................................................. 250
4.3.9.8.
Обратные клапаны для монтажа
на конденсатном трубопроводе ............................................... 250
4.3.9.9.
Обзорная схема оснащения испарителей ................................ 250
4.3.10.
Разделение холодильной установки на контуры регулирования
процесса оттаивания и создание коммутационной схемы
для электромагнитных клапанов в режиме
размораживания и/или охлаждения ................................................. 250
4.3.11.
Планирование и выбор компонентов системы ADAP-Kool®
фирмы Danfoss для электронного регулирования холодильной
установки ............................................................................................. 251
4.3.11.1.
Комбинированный регулятор
для винтового компрессора .................................................... 251
4.3.11.2.
Контуры регулирования и регуляторы................................... 252
4.3.11.3.
Чувствительные элементы датчиков типа AKS 11 ................ 253
4.3.11.4.
Расширительный вентиль типа AKV
с широтно-импульсной модуляцией ...................................... 253
4.3.11.5.
Дистанционная передача данных ........................................... 257
4.3.12.
Модулирующее регулирование давления для оттаивания
с применением перегретого пара ...................................................... 257
4.3.12.1.
Технологическая схема «регулирования давления
по принципу сервоуправления» ............................................. 258
4.3.12.2.
Расчет регулирующего модуля с сервоуправлением
фирмы Danfoss .......................................................................... 258
4.3.13.
Проектирование нагнетательного трубопровода оттаивания ........ 261
4.3.14.
Проектирование трубопроводов слива конденсата и продувки ........ 263
4.3.15.
Сводная таблица поперечных сечений всех требуемых труб
и рукавов Termoflex ............................................................................ 264
4.3.16.
Проектирование отделителя жидкости во всасывающем
трубопроводе машинного зала ......................................................... 264
4.3.17.
Выбор конденсатора с воздушным охлаждением фирмы Güntner –
с осевым вентилятором – для холодильной установки
с винтовым компрессором ................................................................. 266
4.3.17.1.
Определение производительности конденсатора ................. 266
4.3.17.2.
Выбор конденсатора ................................................................ 267
4.3.17.3.
Монтажная схема соединений нагнетательного
трубопровода и трубопровода конденсатора
с относящейся к ним запорной арматурой ........................... 269
4.3.18.
Объем заправки холодильного агента .............................................. 269
4.3.19.
Предупредительный сигнализатор состояния хладагента
фирмы Beutler ..................................................................................... 270
4.3.20.
Расчет вентиляции машинного зала ................................................. 271
4.3.21.
Аварийная вызывная установка ........................................................ 271
4.3.22.
Электронная система регистрации температуры ............................ 271
4.3.23.
Технологическая схема комбинированной низкотемпературной
установки с винтовыми компрессорами, маслоохладителями
воздушного охлаждения, экономайзером, переохлаждением
жидкости, оттаиванием с использованием перегретого пара
и регулированием давления при оттаивании................................... 272
4.3.24.
Предложение ....................................................................................... 272
4.3.25.
Контрольные задания ........................................................................ 281
4.4.
Проект: холодильное оборудование для потребительского рынка ........... 288
4.4.1.
Исходная ситуация ............................................................................... 288
4.4.2.
Определение базовых данных, необходимых для проектирования
холодильной установки ...................................................................... 288
4.4.2.1.
Местоположение ........................................................................ 288
4.4.2.2.
Вид и объем торгового холодильного оборудования
для потребительского рынка .................................................... 288
4.4.2.3.
Вид и объем холодильных камер для потребительского
рынка .......................................................................................... 292
4.4.2.4.
Сводная таблица рабочих параметров
для зон охлаждения и замораживания .................................... 293
4.4.3.
Выбор низкотемпературной установки с переохлаждением
жидкости .............................................................................................. 294
4.4.4.
Выбор стандартной холодильной компаунд-установки ................... 298
4.4.5.
Расчет холодильных коэффициентов ................................................. 298
4.4.6.
Выбор конденсаторов с воздушным охлаждением ........................... 299
4.4.6.1.
Выбор конденсатора для установки нормального
охлаждения ................................................................................. 299
4.4.6.2.
Выбор конденсатора для низкотемпературной установки ........ 299
4.4.7.
Проектирование шумоглушителей для агрегатов ............................. 302
4.4.8.
Выбор регулятора давления для испарителя в цехе
подготовки мяса .................................................................................. 303
4.4.9.
Планирование и выбор элементов электронного регулирования
установок в технологии 19′′фирмы Wurm....................................... 305
4.4.9.1.
Установка для охлаждения ........................................................ 305
4.9.1.1.
Разделение объектов охлаждения на контуры
регулирования ............................................................................ 307
4.4.9.2.
Низкотемпературная установка ................................................ 309
4.4.9.3.
Регистрация рабочих режимов и сообщений
о неисправностях....................................................................... 309
4.4.10.
Технологическая схема ...................................................................... 310
4.4.11.
Контрольные задания ........................................................................ 310
Глава 5. Нормативы для калькуляции проектов холодильной техники .............. 312
5.1.
Методика определения цен ........................................................................... 312
5.2.
Определение торговой наценки .................................................................... 313
5.3.
Нормативные показатели для монтажных работ ........................................ 313
5.3.1.
Конденсаторные агрегаты .................................................................. 313
5.3.2.
Компрессоры с встроенным электродвигателем, агрегаты ............ 314
5.3.3.
Приборы и аппараты .......................................................................... 314
5.3.4.
Монтаж медных труб .......................................................................... 315
5.3.5.
Ввод в эксплуатацию .......................................................................... 316
Глава 6. Нормы и стандарты, относящиеся к холодильной технике .................. 318
Приложения ............................................................................................................ 328
Предисловие
Известно, что проектирование холодильных установок требует знания множества
аспектов, относящихся к сферам термодинамики и психрометрии, равно
как и механики, деталей машин, электротехники и систем управления, а также
способов подготовки производственных процессов и методики проведения необходимых
расчетов.
Как следует из названия данной книги, в ней содержатся наиболее типичные
примеры расчетов, осуществляемых в ходе проектирования холодильных
установок.
В соответствии с изложенной основной задачей представленный материал
разделен на две части.
Первая часть предлагает краткий экскурс в область термодинамических циклов
с описанием важнейших элементов холодильных установок, рассматриваемых
автономно и независимо друг от друга. Приводимые здесь расчеты, параметры
максимально приближены к практическим условиям.
Каждая глава этой части снабжена требуемым наглядным материалом
(диаграммы, графики, таблицы) в сопровождении подробных пояснений и
ссылок.
Вторая часть начинается с составления предварительной схемы общего проекта
холодильной установки. Далее рассматривается ряд конкретных примеров,
для каждого из которых также возможна индивидуальная интерпретация. Здесь
предпочтение отдается форме подачи материала, в наибольшей степени позволяющей
отобразить основные детали. Идентичный способ применен и в системе
отбора возможных опций.
В завершение приводится полный перечень действующих на данный момент
немецких норм и стандартов, относящихся к холодильной технике.
Настоящее издание предназначено для инженеров, занятых проектированием
холодильных установок, а также для студентов вузов соответствующих
специальностей.
Ганс-Йоахим Брайдерт
Диблих, февраль 2003 г.
ГЛАВА 1
РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС
ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДА
Холодильные установки, работающие на циркулирующих в замкнутом цикле
хладагентах, забирают теплоту как от загруженных в них продуктов, так и от
самих камер, постепенно охлаждая их. При этом холодильные агенты, непрерывно
циркулируя в установке, изменяют свое агрегатное состояние: сначала
испаряясь при отборе тепла из своего окружения, затем вновь конденсируясь
вследствие отдачи поглощенной теплоты.
В состав холодильной установки входят: компрессоры, испарители, конденсаторы,
регулирующие (дроссельные) вентили, а также вспомогательное оборудование:
насосы для подачи хладагента, хладоносителя, соответствующие коммуникационные
агрегаты (система трубопроводов, арматура), предохранительные
устройства (см. рис. 1.1).
Рис. 1.1.
Коэффициент
воздухообмена
Теплопроток
при открывании дверей
Выход
воздуха
qc
tc pc
qo
to po
Сторона высокого давления
холодильной установки
Сторона низкого давления
Компрессор холодильной установки
Дросселирующий
вентиль
Теплоприток Вход воздуха
от обслуживающего
персонала
Выход
воздуха
Теплоприток
от освещения
Теплота,
передаваемая
через ограждения
Теплоприток
от охлаждаемого
продукта
po
pс
Испаритель
Вход
воздуха Конденсатор с воздушным
охлаждением
Холодильная камера
Выработка холода является в сущности процессом, обратным тому, что мы
наблюдаем при работе теплового двигателя. Если там задача состоит в совершении
как можно большей работы при использовании существующего перепада температур,
то в холодильной установке требуется с минимальными затратами энергии
поднять температуру до необходимого уровня.
1.1._Обратимый цикл Карно в T,s-диаграмме
Для краткого описания интересующих нас зависимостей рассмотрим сначала
обратимый (идеальный) цикл Карно в T,s-диаграмме «температура – энтропия»
(рис. 1.2).
Количество теплоты qо поглощается
хладагентом при температуре испарения
Tо, после чего он подвергается адиабатическому
(изоэнтропному) сжатию
компрессором с переходом из состояния
1 (влажный пар) в состояние 2.
Сухой насыщенный пар (состояние 2
на правой пограничной кривой) полностью
конденсируется в конденсаторе
при температуре конденсации Тс с
переходом от точки 2 к точке 3 при постоянном
давлении Рс = const.
Затем в расширительном цилиндре
происходит адиабатическое (изоэнтропное)
расширение пара до достижения
давления Ро и температуры кипения То.
Влажный пар из состояния 4 поглощает
в испарителе теплоту и испаряется
по изобаре до достижения состояния 1.
В пересчете на 1 кг циркулирующего хладагента имеем следующее:
количество поглощенной теплоты – qo = To ⋅(s2 – s1);
площадь 1-4-6-7-1;
количество отводимой теплоты – qc = Tс ⋅(s2 – s1);
площадь 2-3-6-7-2;
требуемая работа цикла – wca = qc – qo= (T c – To) ⋅(s2 – s1);
площадь 1-2-3-4-1;
работа расширения – площадь 3-5-4-3.
Для представленного выше цикла Карно получаем холодильный коэффициент
са:
.
c o
o
c o 2 1
o 2 1
ca
o
ca
T T
T
T T s s
T s s
w
q
−
−⋅−
⋅−
Таким образом, холодильный коэффициент цикла Карно зависит лишь от
двух рабочих температур – температуры кипения и температуры конденсации и
не зависит от физических и термодинамических характеристик хладагентов. Итак,
минимальное количество работы (wca) дает максимальный холодильный коэффициент
ca.
Рисунок 1.2 также показывает, что совершаемая работа (площадь 1-2-3-4-1)
будет тем меньше, чем выше температура кипения То и чем ниже температура
конденсации Тс.
Рис. 1.2.
T
T
Tc
Tu
To
3 2
1
5 4
6 7
S1 S2 S
wca
To, po
qo
qc
Tc, pc
1.2. Теоретический цикл в T,s-диаграмме 13
Здесь можно сделать общий вывод, что для достижения экономичной эксплуатации
холодильная установка должна действовать с максимально высокой
температурой испарения и с как можно более низкой температурой конденсации.
При этом температура кипения задается в зависимости от требуемой температуры
холодильной камеры (tr), а температура конденсации определяется с учетом
используемой охлаждающей среды (воды или воздуха).
Цикл Карно как идеальный обратимый цикл между двумя изотермами и двумя
адиабатами, безусловно, способен обеспечить максимальный холодильный
коэффициент (са). Однако такой процесс практически не реализуем, так
как ни сжатие, ни расширение не протекает по изоэнтропе.
В целях отображения реальной фактической работы холодильной машины
используют теоретический цикл (рис. 1.3). В таком цикле расширение с переходом
от давления конденсации Рс к давлению испарения Ро осуществляется посредством
дросселирующего клапана с заменой изоэнтропы на изоэнтальпу,
поскольку этот процесс протекает при постоянной энтальпии, h3 = h4.
Рис. 1.3.
Компрессор засасывает сухой насыщенный пар в состоянии 1 (правая пограничная
кривая, рис. 1.3) и адиабатически сжимает его до состояния 2. В зоне
перегрева к состоянию 2 отнесена температура сжатия Т2 на оси ординат.
В конденсаторе перегретый пар хладагента в состоянии 2 доводится до состояния
2′путем снятия перегрева по изобаре и полностью конденсируется (см.
поле от правой пограничной кривой к точке 3 на левой пограничной кривой).
Из состояния 3 жидкий хладагент с помощью дросселирующего вентиля переходит,
расширяясь, в состояние 4 с h = const.
Удельная холодопроизводительность qо, с одной стороны, из-за дросселирования
понижается по сравнению с циклом Карно (а именно соответственно
площади a-s1-s2-4-a), с другой стороны, в силу всасывания компрессором сухого
насыщенного пара увеличивается на площадь b-s3-s4-1-b.
В целом удельная холодопроизводительность теоретического цикла больше
удельной холодопроизводительности цикла Карно, то есть qo > qo ca.
Дросселирующий
клапан
Работа сжатия (wcs) характеризуется площадью 1-2-2′-3-a-s1-s2-4-1. При сравнении
с циклом Карно здесь отмечается соответствующее увеличение площади,
что указывает на дополнительно совершаемую работу.
Следовательно, холодильный коэффициент теоретического цикла (is) с всасыванием
сухого насыщенного пара, адиабатическим (изоэнтропным) сжатием
пара и дросселированием жидкого хладагентатакже будет ниже холодильного
коэффициента цикла Карно:
. is ca
is
o
is
и
w
q
Удельная теплота, отведенная в конденсаторе (qc), определяется на диаграмме
площадью 2-2′-3-a-s1-s4-2 (рис. 1.3).
1.3._Действительный_ци_л_в_T,s-диа_рамме
В данном цикле (рис. 1.4) компрессор засасывает перегретый пар в состоянии
1 и политропно сжимает его до состояния 2. К данному состоянию отнесена
температура в конце сжатия Т2 на ординате. В зоне снятия перегрева в конденсаторе
хладагент в виде перегретого пара сначала охлаждается по изобаре (процесс
2 - 2′) до температуры в конце сжатия, далее в точке 2′′до температуры в
конце сжатия сухого насыщенного пара с переходом к точке 2′′′на правой
пограничной кривой.
От точки 2′′′сухой насыщенный пар попадает в зону конденсации в конденсаторе
и при Рс и tc = const до точки 3′на левой пограничной кривой, где
полностью конденсируется.
Как видно из технологической схемы, вновь превращенный в жидкость хладагент
протекает затем через регенеративный теплообменник, где проходящий
поток жидкости переохлаждается под действием обратного потока всасываемого
газа (процесс 3′- 3). Это приводит к росту удельной холодопроизводительности
qo на размер площади 4′-4-s2-s3-4′. Но при этом одновременно происходит перегрев
всасываемого газа, так что температура на входе в компрессор перемещается
с 1′к 1 в перегретую зону.
Рис. 1.4.
Конденсатор
Компрессор
Регенаративный
теплообменник
Ресивер
Испаритель
При изменении состояния с 3′на 3 при Рc = cоnst и с 1′на 1 при Рo = const
имеют место одинаковые разности энтальпий.
Увеличение площади wi как показателя совершенной работы объясняется
наличием потерь в процессах сжатия и дросселирования (и тот и другой вызывают
необратимые изменения состояния). Улучшение холодильного коэффициента
(is) может быть достигнуто за счет переохлаждения жидкого хладагента.
При сравнении действительного цикла с теоретическим, а также с идеальный
циклом Карно получаем следующие холодильные коэффициенты:
Холодильные коэффициенты Характеристика цикла
max
−
c o
o
ca T T
T
цикл Карно без потерь; не зависит от хладагента,
определяется только значениями То и Тс;
теоретический цикл с потерями, обусловленными
дросселированием, изоэнтропное сжатие
сухого насыщенного пара;
действительный цикл с потерями, обусловленными
дросселированием, политропное сжатие
перегретого пара, переохлаждение жидкого
хладагента.
1.4._Теоретичесий_и_действительный_цилы
в_ lgP,h-диа_рамме
is
o
is
w
q
i
o
is
w
q
В диаграмме T,s (температура-энтропия) количество подводимой и, соответственно,
отводимой теплоты определяется с помощью площадей, расположенных под
линиями процессов.
Однако в практических расчетах предпочтение отдается lgP,h-диаграмме, позволяющей
количество подводимой и отводимой теплоты определять отрезками
на оси энтальпии (h). На рис. 1.5 представлены в диаграмме lgP,h рассматриваемые
циклы, где значение удельной холодопроизводительности qON = h1′– h4′,
а работа цикла wi = i1 – i2.
Рис. 1.5.
Теоретический цикл Действительный цикл
16 Глава 1. Рабочий процесс производства холода
1.5.__Контрольные_задания
1. Построить описанный ниже цикл в lgP,h-диаграмме (рис. 1.6).
Дано:
холодильный агент R 507; холодопроизводительность 10 кВт; температура
испарения to = –30C; температура конденсации tc = +40C; перегрев на стороне
испарителя 10C, то есть t1′= –20C; температура во всасывающем патрубке
t1 = –10C; температура переохлажденной жидкости t3 = +38C; сжатие – политропное.
2. Определить отношение давлений конденсации и кипения холодильного
агрегата Рс/Ро.
3. Пользуясь прилагаемой таблицей, вычислить показатель политропы (n)
сжатия в компрессоре.
Таблица 1.1. Показатель политропы n
Хладагент Р
с/Р
о
2 3 4 5 6 7 8 9 10
R 134a 1,216 1,191 1,177 1,172 1,166 1,163 1,160 1,157 1,155
R 407C/R 507 1,325 1,258 1,240 1,234 1,232 1,230 1,228 1,226 1,225
Примечание: промежуточные значения n определяются интерполированием.
4. Вычислить температуру в конце сжатия (T2):
К.
o
c
c ,
n
n
P
P
T T
1
2
−
⎟ ⎟
⎠
⎞
⎜ ⎜
⎝
⎛
⋅
Температура на входе в компрессор Ts = 273,15 + to + 10, К.
5. Построить политропу в сжатой lgP,h-диаграмме (рис. 1.6) и определить
соответствующие значения энтальпии.
6. Для достижения заданной холодопроизводительности необходимо определить
массу циркулирующего хладагента, измеряемую в кг/c или в кг/ч и вычисляемую
по формуле:
, , .
кг
кДж
ON 1 4
ON
o
R ′′q h −h
q
Q
m
7. Определить холодильные коэффициенты цикла Карно (ca) и дейтвительного
цикла (
i).
Варианты решений
К п. 1. см. рис. 1.6.
К п. 2. tc = +40C; Рc = 18,61 бар;
to = –30C; Рo = 2,11 бар;
, .
,
,
8 82
2 11
18 61
o
c
P
P
К п. 3. n = 1,22,76.
1.5. Контрольные задания 17
Рис. 1.6. lgP,h-диаграмма для R507, составленная профессором Р. Дёрингом
lgP,h-диаграмма для R507
Параметры процесса и единицы
измерения: р (бар), h (кДж/кг),
s (кДж/кг К), v (м3/кг).
s = 1 кДж/кг К; h = 200 кДж/кг
при 0С для перегретой зоны
Удельная энтальпия h, кДж/кг
р, бар
Источник:
Solvay Fluor und Derivate GmbH, Ганновер
18 Глава 1. Рабочий процесс производства холода
К п. 4.
n
n
P
P
T T
1
2
−
⎟ ⎟
⎠
⎞
⎜ ⎜
⎝
⎛
⋅
o
c
c c Ts = 273,15 + (+10) – 30, К;
379 02 К.
2 11
18 61
25315
1 2276
1 2276 1
2 ,
,
,
,
,
,
⎟
⎟⎠
⎞
⎜ ⎜⎝
⎛
⋅
−
T
t2 = 105,87oC.
h2 = 455 кДж/кг.
К п. 5. см. lgP,h-диаграмму на рис. 1.6.
К п. 6.
кг/с.
ON
o
R ,
q
Q
m
Удельная холодопроизводительность: qON = h′1 – h4.
qON = 354,60 – 255,14 = 99,46 кДж/кг.
К п. 7.
, .
,
,
3 47
24315
24315
−
−
313,15 K K
K
c o
o
ca T T
T
, .
,
1 08
92
99 46
i
ON
i
w
q wi = h2 – h1.
wi = 455 – 363 = 92 кДж/кг.
ГЛАВА 2
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
2.1.Расчет расхода холода
Прежде чем приступить к выбору конструктивных параметров оборудования проектируемой
холодильной установки, требуется произвести определенные расчеты.
При положительном результате анализа запроса клиента перед составлением
соответствующего предложения надо выполнить следующее:
1) уточнить во всех деталях поставленную задачу;
2) конкретизировать требования к исполнению проектируемой установки;
3) разработать предварительную концепцию оптимального решения.
Изучив весь объем данных, необходимых в рамках предстоящего проекта,
переходим к расчету расхода холода, используя для этой цели все возможные
способы – аналитический, табличную форму, имеющиеся диаграммы и номограммы.
При расчете расхода холода вычисляются вначале отдельные частные нагрузки
как составляющие полной нагрузки, дающие в сумме общую потребность
в холоде.
Теплопритоки:
Внутренние теплопритоки:
2.1.1. Расчет составляющих внешней нагрузки
2.1.1.1. Расчет теплопритоков через ограждения камеры
Ограждающие конструкции холодильной камеры рассчитываются каждая отдельно
и последовательно друг за другом.
Особое внимание при этом следует уделять положению стен, их конструктивному
исполнению и соответствующей разности температур, а также относящимся
сюда коэффициентам теплопередачи (k).
Внешние теплопритоки:
– теплопритоки, проникающие
через ограждения камер
(стены, пол и потолок);
– теплопритоки в результате
воздухообмена;
– теплоприток при открывании
дверей.
Теплопритоки, обусловленные
задачей охлаждения:
– теплоприток от охлаждаемого
продукта;
– теплоприток при «дыхании»
фруктов, овощей;
– теплоприток от электродвигателей
вентиляторов испарителя;
– теплоприток, выделяемый при
оттаивании испарителя.
Эксплуатационные
теплопритоки:
– теплоприток от освещения;
– теплоприток от пребывания
людей;
– теплоприток от оборудования.
Глава 2. 20 Основы проектирования холодильной установки
Далее рассчитываются теплопритоки от пола и потолка.
В заключение суммируются полученные результаты.
Для расчета теплопритоков предлагается следующее уравнение:
QE = F ⋅k ⋅T, (м2 ⋅Вт ⋅К)/(м2 ⋅К) = Вт,
где F – площадь поверхности ограждения, м2;
T – разность температур снаружи ограждения и внутри камеры, К;
k – коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/м2 ⋅К.
Пример:
Требуется вычислить поток проникающей в холодильную камеру теплоты,
если температура камеры t
R = 0C.
Допустим, данная холодильная камера сконструирована из не имеющих тепловых
мостов ячеистых элементов типа «сэндвич», самонесущих, из жесткого
пенополиуретана толщиной 100 мм.
Рис. 2.2. Камера для охлаждения мяса
Соединение элементов осуществляется по системе «в шпунт и гребень» с
использованием защищенной от коррозии эксцентриковой винтовой стяжки.
Технические характеристики:
Толщина стен (мм) 100
Теплоизоляция жесткий пенополиуретан
Плотность пены (кг/м3) 40
Теплопроводность (Вт/м ⋅К) < 0,02
Коэффициент теплопередачи (Вт/м2 К) 0,19
Рекомендуемая разность температур Т (К) до 45
При известном из технической документации изготовителя значении коэффициента
теплопередачи для элементов стен и потолка (k = 0,19 Вт/м2 ⋅К) отпадает
необходимость в вычислении этого параметра по формуле:
, (Вт/м К), 2
n
i 1 n в
n
н
⋅
Σ
1 1
1
k
где н – коэффициент теплоотдачи с наружной стороны ограждения, Вт/м2 ⋅К;
в – коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны ограждения, Вт/м2 ⋅К;
n – толщина отдельных слоев конструкции, м;
n – коэффициент теплопроводности материалов конструкции ограждения, Вт/м ⋅К.
Наружная стена
Внутренняя
стена
Помещение
для разделки туш
t
R = +16C
ϕ= 70%
Внутренняя
стена
Внутренняя стена
Камера для охлаждения мяса
t
a = +32C
t
R = 0C, ϕ= 80%
H = 3,50 м снаружи
Помещение
для разделки туш
t
R = +16C
ϕ= 70%
3,80 м
снаружи
8,00 м снаружи
Помещение для разделки туш
t
R = +16C
ϕ= 70%
2.1. Расчет расхода холода 21
Стена 1:
Холодильная секция изнутри прилегает к имеющейся сплошной стене здания,
поэтому учитывается только коэффициент теплопроводности ячеистого
элемента.
При расчете холодильной нагрузки автор использовал для определения общей
площади известные внутренние размеры.
QE, стена 1 = (7,8 3,4) 0,19 32 = 161,24 Вт;
QE, стена 2 = (3,6 3,4) 0,19 16 = 37,21 Вт;
QE, стена 3 = (7,8 3,4) 0,19 16 = 80,62 Вт;
QE, стена 4 = (3,6 3,4) 0,19 16 = 37,21 Вт;
QE, потолок = (7,8 3,6) 0,19 16 = 85,36 Вт.
Таблица 2.1. Конструкция пола (в направлении снаружи →внутрь)
, м , Вт/м К /, м2/Вт
Бетонная подготовка 0,15 1,279 0,1173
Слой битума 0,015 0,16 0,0938
Звукоизоляция (стиродур) 0,10 0,030 3,333
Верхний слой бетона 0,10 1,279 0,0782
Бесшовное покрытие 0,05 1,924 0,026
Облицовочная плитка 0,015 1,05 0,0143
= 3,6626
в = 19 Вт/м2 ⋅К для внутренних стен холодильной камеры; значение н не
учитывается (пол непосредственно прилегает к грунту).
Термическое сопротивление (равное обратной величине коэффициента теплопередачи)
для пола составляет:
К/м Вт. 2 3 7152 ⋅
1
,
k
Коэффициент теплопередачи для пола k = 0,2692 Вт/м2 ⋅К.
Рис. 2.3. Структура элементов стен и потолка
Жесткий пенополиуретан
Листовая сталь с алюминиево-цинковой прокладкой
и покрытием на основе эпоксидной смолы
Нащельник
Глава 2. 22 Основы проектирования холодильной установки
QE пола = (7,8 3,6) 0,2692 15 = 113,39 Вт.
tгрунта = +15C.
QE общ = QE стены 1 + QE стены 2 + QE стены 3 + QE стены 4 + QE потолка + QE пола, Вт.
QE общ = 161,24 + 37,21 + 80,62 + 37,21 + 85,36 + 113,39 = 515,03 Вт.
Таким образом, полный теплоприток в холодильную камеру составит:
QE общ = 515,03 Вт.
2.1.1.2. Расчет теплопритока в результате воздухообмена
Рассматриваемый в качестве частичной нагрузки воздухообмен в холодильной
камере необходимо учитывать в тех случаях, когда температура поступающего в
камеру воздуха превышает температуру самой камеры, то есть осуществляется
вентиляция помещения.
Рассчитывается коэффициент воздухообмена из расчета на 1 сутки:
за 1 сутки,
R
,
V
n
70
где VR – объем вентилируемого помещения, м3.
Для данного примера имеем:
VR = 7,8 3,6 3,4 = 95,47 м3.
9,711. R V
7 16 за 1 сутки.
9 771
70
,
,
n
Теплоприток от вентиляции (Qn) рассчитывается с использованием следующих
уравнений:
QL = mL ⋅h в кДж/с = кВт,
или:
кВт,
24 3 800 с/день
R Li
L ⋅
⋅⋅⋅V n h
Q
где mL – расход вентилируемого воздуха, кг/с;
h – разность энтальпий наружного и воздуха внутри камеры, кДж/кг;
Li – плотность воздуха в холодильной камере, кг/м3.
При температуре 0C и нормальном атмосферном давлении Li = 1,293 кг/м3.
Для определения h используется диаграмма влажного воздуха, h,x (рис. 2.4):
h = hL,a – hL,I, кДж/кг;
h = 36 – 7,5 = 28,5 кДж/кг.
Для приведенного примера величина теплопритока от вентиляции камеры
равна:
0,2915 кВт 291,50 Вт. L 86400
95,47 7,16 1,2930 28,5
Известно, что проектирование холодильных установок требует знания множества
аспектов, относящихся к сферам термодинамики и психрометрии, равно
как и механики, деталей машин, электротехники и систем управления, а также
способов подготовки производственных процессов и методики проведения необходимых
расчетов.
Как следует из названия данной книги, в ней содержатся наиболее типичные
примеры расчетов, осуществляемых в ходе проектирования холодильных
установок.
В соответствии с изложенной основной задачей представленный материал
разделен на две части.
Первая часть предлагает краткий экскурс в область термодинамических циклов
с описанием важнейших элементов холодильных установок, рассматриваемых
автономно и независимо друг от друга. Приводимые здесь расчеты, параметры
максимально приближены к практическим условиям.
Каждая глава этой части снабжена требуемым наглядным материалом
(диаграммы, графики, таблицы) в сопровождении подробных пояснений и
ссылок.
Вторая часть начинается с составления предварительной схемы общего проекта
холодильной установки. Далее рассматривается ряд конкретных примеров,
для каждого из которых также возможна индивидуальная интерпретация. Здесь
предпочтение отдается форме подачи материала, в наибольшей степени позволяющей
отобразить основные детали. Идентичный способ применен и в системе
отбора возможных опций.
В завершение приводится полный перечень действующих на данный момент
немецких норм и стандартов, относящихся к холодильной технике.
Настоящее издание предназначено для инженеров, занятых проектированием
холодильных установок, а также для студентов вузов соответствующих
специальностей.
Ганс-Йоахим Брайдерт
Диблих, февраль 2003 г.
ГЛАВА 1
РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС
ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДА
Холодильные установки, работающие на циркулирующих в замкнутом цикле
хладагентах, забирают теплоту как от загруженных в них продуктов, так и от
самих камер, постепенно охлаждая их. При этом холодильные агенты, непрерывно
циркулируя в установке, изменяют свое агрегатное состояние: сначала
испаряясь при отборе тепла из своего окружения, затем вновь конденсируясь
вследствие отдачи поглощенной теплоты.
В состав холодильной установки входят: компрессоры, испарители, конденсаторы,
регулирующие (дроссельные) вентили, а также вспомогательное оборудование:
насосы для подачи хладагента, хладоносителя, соответствующие коммуникационные
агрегаты (система трубопроводов, арматура), предохранительные
устройства (см. рис. 1.1).
Рис. 1.1.
Коэффициент
воздухообмена
Теплопроток
при открывании дверей
Выход
воздуха
qc
tc pc
qo
to po
Сторона высокого давления
холодильной установки
Сторона низкого давления
Компрессор холодильной установки
Дросселирующий
вентиль
Теплоприток Вход воздуха
от обслуживающего
персонала
Выход
воздуха
Теплоприток
от освещения
Теплота,
передаваемая
через ограждения
Теплоприток
от охлаждаемого
продукта
po
pс
Испаритель
Вход
воздуха Конденсатор с воздушным
охлаждением
Холодильная камера
Выработка холода является в сущности процессом, обратным тому, что мы
наблюдаем при работе теплового двигателя. Если там задача состоит в совершении
как можно большей работы при использовании существующего перепада температур,
то в холодильной установке требуется с минимальными затратами энергии
поднять температуру до необходимого уровня.
1.1._Обратимый цикл Карно в T,s-диаграмме
Для краткого описания интересующих нас зависимостей рассмотрим сначала
обратимый (идеальный) цикл Карно в T,s-диаграмме «температура – энтропия»
(рис. 1.2).
Количество теплоты qо поглощается
хладагентом при температуре испарения
Tо, после чего он подвергается адиабатическому
(изоэнтропному) сжатию
компрессором с переходом из состояния
1 (влажный пар) в состояние 2.
Сухой насыщенный пар (состояние 2
на правой пограничной кривой) полностью
конденсируется в конденсаторе
при температуре конденсации Тс с
переходом от точки 2 к точке 3 при постоянном
давлении Рс = const.
Затем в расширительном цилиндре
происходит адиабатическое (изоэнтропное)
расширение пара до достижения
давления Ро и температуры кипения То.
Влажный пар из состояния 4 поглощает
в испарителе теплоту и испаряется
по изобаре до достижения состояния 1.
В пересчете на 1 кг циркулирующего хладагента имеем следующее:
количество поглощенной теплоты – qo = To ⋅(s2 – s1);
площадь 1-4-6-7-1;
количество отводимой теплоты – qc = Tс ⋅(s2 – s1);
площадь 2-3-6-7-2;
требуемая работа цикла – wca = qc – qo= (T c – To) ⋅(s2 – s1);
площадь 1-2-3-4-1;
работа расширения – площадь 3-5-4-3.
Для представленного выше цикла Карно получаем холодильный коэффициент
са:
.
c o
o
c o 2 1
o 2 1
ca
o
ca
T T
T
T T s s
T s s
w
q
−
−⋅−
⋅−
Таким образом, холодильный коэффициент цикла Карно зависит лишь от
двух рабочих температур – температуры кипения и температуры конденсации и
не зависит от физических и термодинамических характеристик хладагентов. Итак,
минимальное количество работы (wca) дает максимальный холодильный коэффициент
ca.
Рисунок 1.2 также показывает, что совершаемая работа (площадь 1-2-3-4-1)
будет тем меньше, чем выше температура кипения То и чем ниже температура
конденсации Тс.
Рис. 1.2.
T
T
Tc
Tu
To
3 2
1
5 4
6 7
S1 S2 S
wca
To, po
qo
qc
Tc, pc
1.2. Теоретический цикл в T,s-диаграмме 13
Здесь можно сделать общий вывод, что для достижения экономичной эксплуатации
холодильная установка должна действовать с максимально высокой
температурой испарения и с как можно более низкой температурой конденсации.
При этом температура кипения задается в зависимости от требуемой температуры
холодильной камеры (tr), а температура конденсации определяется с учетом
используемой охлаждающей среды (воды или воздуха).
Цикл Карно как идеальный обратимый цикл между двумя изотермами и двумя
адиабатами, безусловно, способен обеспечить максимальный холодильный
коэффициент (са). Однако такой процесс практически не реализуем, так
как ни сжатие, ни расширение не протекает по изоэнтропе.
В целях отображения реальной фактической работы холодильной машины
используют теоретический цикл (рис. 1.3). В таком цикле расширение с переходом
от давления конденсации Рс к давлению испарения Ро осуществляется посредством
дросселирующего клапана с заменой изоэнтропы на изоэнтальпу,
поскольку этот процесс протекает при постоянной энтальпии, h3 = h4.
Рис. 1.3.
Компрессор засасывает сухой насыщенный пар в состоянии 1 (правая пограничная
кривая, рис. 1.3) и адиабатически сжимает его до состояния 2. В зоне
перегрева к состоянию 2 отнесена температура сжатия Т2 на оси ординат.
В конденсаторе перегретый пар хладагента в состоянии 2 доводится до состояния
2′путем снятия перегрева по изобаре и полностью конденсируется (см.
поле от правой пограничной кривой к точке 3 на левой пограничной кривой).
Из состояния 3 жидкий хладагент с помощью дросселирующего вентиля переходит,
расширяясь, в состояние 4 с h = const.
Удельная холодопроизводительность qо, с одной стороны, из-за дросселирования
понижается по сравнению с циклом Карно (а именно соответственно
площади a-s1-s2-4-a), с другой стороны, в силу всасывания компрессором сухого
насыщенного пара увеличивается на площадь b-s3-s4-1-b.
В целом удельная холодопроизводительность теоретического цикла больше
удельной холодопроизводительности цикла Карно, то есть qo > qo ca.
Дросселирующий
клапан
Работа сжатия (wcs) характеризуется площадью 1-2-2′-3-a-s1-s2-4-1. При сравнении
с циклом Карно здесь отмечается соответствующее увеличение площади,
что указывает на дополнительно совершаемую работу.
Следовательно, холодильный коэффициент теоретического цикла (is) с всасыванием
сухого насыщенного пара, адиабатическим (изоэнтропным) сжатием
пара и дросселированием жидкого хладагентатакже будет ниже холодильного
коэффициента цикла Карно:
. is ca
is
o
is
и
w
q
Удельная теплота, отведенная в конденсаторе (qc), определяется на диаграмме
площадью 2-2′-3-a-s1-s4-2 (рис. 1.3).
1.3._Действительный_ци_л_в_T,s-диа_рамме
В данном цикле (рис. 1.4) компрессор засасывает перегретый пар в состоянии
1 и политропно сжимает его до состояния 2. К данному состоянию отнесена
температура в конце сжатия Т2 на ординате. В зоне снятия перегрева в конденсаторе
хладагент в виде перегретого пара сначала охлаждается по изобаре (процесс
2 - 2′) до температуры в конце сжатия, далее в точке 2′′до температуры в
конце сжатия сухого насыщенного пара с переходом к точке 2′′′на правой
пограничной кривой.
От точки 2′′′сухой насыщенный пар попадает в зону конденсации в конденсаторе
и при Рс и tc = const до точки 3′на левой пограничной кривой, где
полностью конденсируется.
Как видно из технологической схемы, вновь превращенный в жидкость хладагент
протекает затем через регенеративный теплообменник, где проходящий
поток жидкости переохлаждается под действием обратного потока всасываемого
газа (процесс 3′- 3). Это приводит к росту удельной холодопроизводительности
qo на размер площади 4′-4-s2-s3-4′. Но при этом одновременно происходит перегрев
всасываемого газа, так что температура на входе в компрессор перемещается
с 1′к 1 в перегретую зону.
Рис. 1.4.
Конденсатор
Компрессор
Регенаративный
теплообменник
Ресивер
Испаритель
При изменении состояния с 3′на 3 при Рc = cоnst и с 1′на 1 при Рo = const
имеют место одинаковые разности энтальпий.
Увеличение площади wi как показателя совершенной работы объясняется
наличием потерь в процессах сжатия и дросселирования (и тот и другой вызывают
необратимые изменения состояния). Улучшение холодильного коэффициента
(is) может быть достигнуто за счет переохлаждения жидкого хладагента.
При сравнении действительного цикла с теоретическим, а также с идеальный
циклом Карно получаем следующие холодильные коэффициенты:
Холодильные коэффициенты Характеристика цикла
max
−
c o
o
ca T T
T
цикл Карно без потерь; не зависит от хладагента,
определяется только значениями То и Тс;
теоретический цикл с потерями, обусловленными
дросселированием, изоэнтропное сжатие
сухого насыщенного пара;
действительный цикл с потерями, обусловленными
дросселированием, политропное сжатие
перегретого пара, переохлаждение жидкого
хладагента.
1.4._Теоретичесий_и_действительный_цилы
в_ lgP,h-диа_рамме
is
o
is
w
q
i
o
is
w
q
В диаграмме T,s (температура-энтропия) количество подводимой и, соответственно,
отводимой теплоты определяется с помощью площадей, расположенных под
линиями процессов.
Однако в практических расчетах предпочтение отдается lgP,h-диаграмме, позволяющей
количество подводимой и отводимой теплоты определять отрезками
на оси энтальпии (h). На рис. 1.5 представлены в диаграмме lgP,h рассматриваемые
циклы, где значение удельной холодопроизводительности qON = h1′– h4′,
а работа цикла wi = i1 – i2.
Рис. 1.5.
Теоретический цикл Действительный цикл
16 Глава 1. Рабочий процесс производства холода
1.5.__Контрольные_задания
1. Построить описанный ниже цикл в lgP,h-диаграмме (рис. 1.6).
Дано:
холодильный агент R 507; холодопроизводительность 10 кВт; температура
испарения to = –30C; температура конденсации tc = +40C; перегрев на стороне
испарителя 10C, то есть t1′= –20C; температура во всасывающем патрубке
t1 = –10C; температура переохлажденной жидкости t3 = +38C; сжатие – политропное.
2. Определить отношение давлений конденсации и кипения холодильного
агрегата Рс/Ро.
3. Пользуясь прилагаемой таблицей, вычислить показатель политропы (n)
сжатия в компрессоре.
Таблица 1.1. Показатель политропы n
Хладагент Р
с/Р
о
2 3 4 5 6 7 8 9 10
R 134a 1,216 1,191 1,177 1,172 1,166 1,163 1,160 1,157 1,155
R 407C/R 507 1,325 1,258 1,240 1,234 1,232 1,230 1,228 1,226 1,225
Примечание: промежуточные значения n определяются интерполированием.
4. Вычислить температуру в конце сжатия (T2):
К.
o
c
c ,
n
n
P
P
T T
1
2
−
⎟ ⎟
⎠
⎞
⎜ ⎜
⎝
⎛
⋅
Температура на входе в компрессор Ts = 273,15 + to + 10, К.
5. Построить политропу в сжатой lgP,h-диаграмме (рис. 1.6) и определить
соответствующие значения энтальпии.
6. Для достижения заданной холодопроизводительности необходимо определить
массу циркулирующего хладагента, измеряемую в кг/c или в кг/ч и вычисляемую
по формуле:
, , .
кг
кДж
ON 1 4
ON
o
R ′′q h −h
q
Q
m
7. Определить холодильные коэффициенты цикла Карно (ca) и дейтвительного
цикла (
i).
Варианты решений
К п. 1. см. рис. 1.6.
К п. 2. tc = +40C; Рc = 18,61 бар;
to = –30C; Рo = 2,11 бар;
, .
,
,
8 82
2 11
18 61
o
c
P
P
К п. 3. n = 1,22,76.
1.5. Контрольные задания 17
Рис. 1.6. lgP,h-диаграмма для R507, составленная профессором Р. Дёрингом
lgP,h-диаграмма для R507
Параметры процесса и единицы
измерения: р (бар), h (кДж/кг),
s (кДж/кг К), v (м3/кг).
s = 1 кДж/кг К; h = 200 кДж/кг
при 0С для перегретой зоны
Удельная энтальпия h, кДж/кг
р, бар
Источник:
Solvay Fluor und Derivate GmbH, Ганновер
18 Глава 1. Рабочий процесс производства холода
К п. 4.
n
n
P
P
T T
1
2
−
⎟ ⎟
⎠
⎞
⎜ ⎜
⎝
⎛
⋅
o
c
c c Ts = 273,15 + (+10) – 30, К;
379 02 К.
2 11
18 61
25315
1 2276
1 2276 1
2 ,
,
,
,
,
,
⎟
⎟⎠
⎞
⎜ ⎜⎝
⎛
⋅
−
T
t2 = 105,87oC.
h2 = 455 кДж/кг.
К п. 5. см. lgP,h-диаграмму на рис. 1.6.
К п. 6.
кг/с.
ON
o
R ,
q
Q
m
Удельная холодопроизводительность: qON = h′1 – h4.
qON = 354,60 – 255,14 = 99,46 кДж/кг.
К п. 7.
, .
,
,
3 47
24315
24315
−
−
313,15 K K
K
c o
o
ca T T
T
, .
,
1 08
92
99 46
i
ON
i
w
q wi = h2 – h1.
wi = 455 – 363 = 92 кДж/кг.
ГЛАВА 2
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
2.1.Расчет расхода холода
Прежде чем приступить к выбору конструктивных параметров оборудования проектируемой
холодильной установки, требуется произвести определенные расчеты.
При положительном результате анализа запроса клиента перед составлением
соответствующего предложения надо выполнить следующее:
1) уточнить во всех деталях поставленную задачу;
2) конкретизировать требования к исполнению проектируемой установки;
3) разработать предварительную концепцию оптимального решения.
Изучив весь объем данных, необходимых в рамках предстоящего проекта,
переходим к расчету расхода холода, используя для этой цели все возможные
способы – аналитический, табличную форму, имеющиеся диаграммы и номограммы.
При расчете расхода холода вычисляются вначале отдельные частные нагрузки
как составляющие полной нагрузки, дающие в сумме общую потребность
в холоде.
Теплопритоки:
Внутренние теплопритоки:
2.1.1. Расчет составляющих внешней нагрузки
2.1.1.1. Расчет теплопритоков через ограждения камеры
Ограждающие конструкции холодильной камеры рассчитываются каждая отдельно
и последовательно друг за другом.
Особое внимание при этом следует уделять положению стен, их конструктивному
исполнению и соответствующей разности температур, а также относящимся
сюда коэффициентам теплопередачи (k).
Внешние теплопритоки:
– теплопритоки, проникающие
через ограждения камер
(стены, пол и потолок);
– теплопритоки в результате
воздухообмена;
– теплоприток при открывании
дверей.
Теплопритоки, обусловленные
задачей охлаждения:
– теплоприток от охлаждаемого
продукта;
– теплоприток при «дыхании»
фруктов, овощей;
– теплоприток от электродвигателей
вентиляторов испарителя;
– теплоприток, выделяемый при
оттаивании испарителя.
Эксплуатационные
теплопритоки:
– теплоприток от освещения;
– теплоприток от пребывания
людей;
– теплоприток от оборудования.
Глава 2. 20 Основы проектирования холодильной установки
Далее рассчитываются теплопритоки от пола и потолка.
В заключение суммируются полученные результаты.
Для расчета теплопритоков предлагается следующее уравнение:
QE = F ⋅k ⋅T, (м2 ⋅Вт ⋅К)/(м2 ⋅К) = Вт,
где F – площадь поверхности ограждения, м2;
T – разность температур снаружи ограждения и внутри камеры, К;
k – коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/м2 ⋅К.
Пример:
Требуется вычислить поток проникающей в холодильную камеру теплоты,
если температура камеры t
R = 0C.
Допустим, данная холодильная камера сконструирована из не имеющих тепловых
мостов ячеистых элементов типа «сэндвич», самонесущих, из жесткого
пенополиуретана толщиной 100 мм.
Рис. 2.2. Камера для охлаждения мяса
Соединение элементов осуществляется по системе «в шпунт и гребень» с
использованием защищенной от коррозии эксцентриковой винтовой стяжки.
Технические характеристики:
Толщина стен (мм) 100
Теплоизоляция жесткий пенополиуретан
Плотность пены (кг/м3) 40
Теплопроводность (Вт/м ⋅К) < 0,02
Коэффициент теплопередачи (Вт/м2 К) 0,19
Рекомендуемая разность температур Т (К) до 45
При известном из технической документации изготовителя значении коэффициента
теплопередачи для элементов стен и потолка (k = 0,19 Вт/м2 ⋅К) отпадает
необходимость в вычислении этого параметра по формуле:
, (Вт/м К), 2
n
i 1 n в
n
н
⋅
Σ
1 1
1
k
где н – коэффициент теплоотдачи с наружной стороны ограждения, Вт/м2 ⋅К;
в – коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны ограждения, Вт/м2 ⋅К;
n – толщина отдельных слоев конструкции, м;
n – коэффициент теплопроводности материалов конструкции ограждения, Вт/м ⋅К.
Наружная стена
Внутренняя
стена
Помещение
для разделки туш
t
R = +16C
ϕ= 70%
Внутренняя
стена
Внутренняя стена
Камера для охлаждения мяса
t
a = +32C
t
R = 0C, ϕ= 80%
H = 3,50 м снаружи
Помещение
для разделки туш
t
R = +16C
ϕ= 70%
3,80 м
снаружи
8,00 м снаружи
Помещение для разделки туш
t
R = +16C
ϕ= 70%
2.1. Расчет расхода холода 21
Стена 1:
Холодильная секция изнутри прилегает к имеющейся сплошной стене здания,
поэтому учитывается только коэффициент теплопроводности ячеистого
элемента.
При расчете холодильной нагрузки автор использовал для определения общей
площади известные внутренние размеры.
QE, стена 1 = (7,8 3,4) 0,19 32 = 161,24 Вт;
QE, стена 2 = (3,6 3,4) 0,19 16 = 37,21 Вт;
QE, стена 3 = (7,8 3,4) 0,19 16 = 80,62 Вт;
QE, стена 4 = (3,6 3,4) 0,19 16 = 37,21 Вт;
QE, потолок = (7,8 3,6) 0,19 16 = 85,36 Вт.
Таблица 2.1. Конструкция пола (в направлении снаружи →внутрь)
, м , Вт/м К /, м2/Вт
Бетонная подготовка 0,15 1,279 0,1173
Слой битума 0,015 0,16 0,0938
Звукоизоляция (стиродур) 0,10 0,030 3,333
Верхний слой бетона 0,10 1,279 0,0782
Бесшовное покрытие 0,05 1,924 0,026
Облицовочная плитка 0,015 1,05 0,0143
= 3,6626
в = 19 Вт/м2 ⋅К для внутренних стен холодильной камеры; значение н не
учитывается (пол непосредственно прилегает к грунту).
Термическое сопротивление (равное обратной величине коэффициента теплопередачи)
для пола составляет:
К/м Вт. 2 3 7152 ⋅
1
,
k
Коэффициент теплопередачи для пола k = 0,2692 Вт/м2 ⋅К.
Рис. 2.3. Структура элементов стен и потолка
Жесткий пенополиуретан
Листовая сталь с алюминиево-цинковой прокладкой
и покрытием на основе эпоксидной смолы
Нащельник
Глава 2. 22 Основы проектирования холодильной установки
QE пола = (7,8 3,6) 0,2692 15 = 113,39 Вт.
tгрунта = +15C.
QE общ = QE стены 1 + QE стены 2 + QE стены 3 + QE стены 4 + QE потолка + QE пола, Вт.
QE общ = 161,24 + 37,21 + 80,62 + 37,21 + 85,36 + 113,39 = 515,03 Вт.
Таким образом, полный теплоприток в холодильную камеру составит:
QE общ = 515,03 Вт.
2.1.1.2. Расчет теплопритока в результате воздухообмена
Рассматриваемый в качестве частичной нагрузки воздухообмен в холодильной
камере необходимо учитывать в тех случаях, когда температура поступающего в
камеру воздуха превышает температуру самой камеры, то есть осуществляется
вентиляция помещения.
Рассчитывается коэффициент воздухообмена из расчета на 1 сутки:
за 1 сутки,
R
,
V
n
70
где VR – объем вентилируемого помещения, м3.
Для данного примера имеем:
VR = 7,8 3,6 3,4 = 95,47 м3.
9,711. R V
7 16 за 1 сутки.
9 771
70
,
,
n
Теплоприток от вентиляции (Qn) рассчитывается с использованием следующих
уравнений:
QL = mL ⋅h в кДж/с = кВт,
или:
кВт,
24 3 800 с/день
R Li
L ⋅
⋅⋅⋅V n h
Q
где mL – расход вентилируемого воздуха, кг/с;
h – разность энтальпий наружного и воздуха внутри камеры, кДж/кг;
Li – плотность воздуха в холодильной камере, кг/м3.
При температуре 0C и нормальном атмосферном давлении Li = 1,293 кг/м3.
Для определения h используется диаграмма влажного воздуха, h,x (рис. 2.4):
h = hL,a – hL,I, кДж/кг;
h = 36 – 7,5 = 28,5 кДж/кг.
Для приведенного примера величина теплопритока от вентиляции камеры
равна:
0,2915 кВт 291,50 Вт. L 86400
95,47 7,16 1,2930 28,5