Проектирование холодильной установки

1. Технико-экономическое обоснование

Холодильная установка молочного завода расположена в городе Астрахань. В городе Астрахань расчетная летняя температура 34 ºС, среднегодовая температура 9.4 ºС, среднемесячная относительная влажность самого жаркого месяца в 37%.

В холодильнике хранятся масло сливочное 5 т/сут., сметана 25 т/сут., ряженка 30 т/сут.

Здание холодильника одноэтажное, имеет три камеры, в которых производится хранение сливочного масла, сметаны, ряженки. Между камерами расположен сквозной коридор, откуда имеется выход на автомобильную платформу. Имеется экспедиция. Общая высота холодильника составляет 4,8 м. Сетка колон 6*18 метров.

Стены и перегородки холодильника выполнены из кирпича, потолок – железобетонные плиты перекрытия, теплоизоляция – пенополистирол ПСБ-С. Для поддержания необходимого температоро-влажностного режима проектируется непосредственное охлаждение при помощи воздухоохладителей типа ВОП.

В холодильник молочного завода поступает продукт на хранение с температурой 15 ºС и хранится в камерах при температуре 1 ºС в пластиковых ящиках. Формирование штабеля производится электрокарами. Высота штабеля составляет 2 м. Вход в холодильник с южной стороны.

Для охлаждения 60 тонн молока принимаем два охладителя молока марки ООУ-25. Для пастеризации и охлаждения сливок, а также сливок при производстве сметаны, используем одну пастеризационно-охладительную установку марки А1-ОПК-5. Для пастеризации молока при производстве ряженки используем одну установку А1-ОПК-5.

Таблица 1.1. Техническая характеристика технологического оборудования, потребляющего холод.

2. Расчет строительной площади холодильника

2.1 Определение число строительных прямоугольников камер хранения

n= (2. 1)

где ß_F– коэффициент использования площади помещения; [прил. 1.1; 1.с. 224]

h_гр – грузовая высота (высота штабеля), м; [1.с. 223]

g_v – норма загрузки, т/м³; [прил. 1.1; 1.с. 222 табл. 52]

М – масса грузов, т;

F_пр – площадь строительного прямоугольника, м²;

Исходные данные и результаты расчетов приведены в таблице 2. 1

Таблица 2.1. Расчет числа строительных прямоугольников камер хранения

2.2 Определение числа строительных прямоугольников компрессорного цеха, вспомогательных и служебно-бытовых помещений

n=(2. 2)

где В-процент от строительной площади камер хранения холодильник; для вспомогательных помещений В=0,2÷0,4; для служебных помещений В=0,05÷0,1; для компрессорного цеха В=0,1÷0,15.

Результаты расчетов и исходные данные сводим в таблицу 2. 2

Таблица 2.2. Расчет числа строительных прямоугольников компрессорного цеха, вспомогательных служебно-бытовых помещений

Принимаем следующую планировку холодильника

Рисунок 1 – План холодильника

3. Тепловой расчет холодильника

При расчете охлаждаемых помещений в общем случае определяют следующие теплопритоки:

Q=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅ (3. 1)

где Q₁ – теплоприток от окружающей среды через ограждения, кВт;

Q₂ – теплоприток от продукции при их холодильной обработке, кВт;

Q₃ – теплоприток от наружного воздуха при вентиляции охлаждаемого помещения, кВт;

Q₄ – теплоприток от источников, связанных с эксплуатацей охлаждаемых помещений, кВт;

3.1 Теплоприток от окружающей среды

Этот теплоприток в общем случае включает теплопритоки, обусловленные разностью температур окружающего воздуха и помещения, и солнечным тепловым излучением.

Q₁ = Q_1Т + Q_1C(3. 2)

Q_1Т = (3. 3)

Q_1C=(3. 4)

где Q_1T – теплоприток, обусловленный разностью температур окружающего воздуха и помещения, кВт;

Q_1C – теплоприток, обусловленный солнечным тепловым излучением, кВт; [прил. 3.3] [1.с. 330, табл. 58]

F_н – площадь поверхности ограждения, м²;

t_н – температура воздуха с наружной стороны ограждения, определяемая расчетом в зависимости от типа ограждения, ºC; [прил. 3.1] [1.с. 417]

t_пм – температура воздуха в помещении, принимаемая по нормативным документам, ºC; [введение]

Δt_c – избыточная разность температур, вызванная солнечным тепловым излучением, ºC;

К_н – коэффициент теплопередачи, кВт/(м²К). [прил. 3.2] [1.с. 311]

Результаты расчетов и сводные данные сводим в таблицу 3.1

Таблица 3. 1 – Теплопритоки через ограждения

3.2 Теплоприток от продуктов при их холодильной обработке

Q₂=(3. 5)

где Q_2пр – теплоприток от продуктов, кВт; Q_2т – теплоприток от тары, кВт;

Теплоприток от продуктов

Q_2пр= (3.6)

где М_пр – масса обрабатываемых продуктов, кг,

i₁ и i₂ – энтальпии, соответствующие начальной и конечной температурам продукта, кДж/кг; [прил. 3.4] [1.с. 419]

τ – продолжительность тепловой обработки продукта, ч;

Теплоприток от тары.

Q_2т= (3.7)

где М_т – масса тары, кг; [прил. 3.5]

t₁ и t₂ – температура тары начальная и конечная, ºC;

с_т – удельная теплоемкость тары, кДж/кгК, равная: для деревянной и картонной тары c_т=2,3; для металлической c_т=0,5; для стеклянной c_т=0,8;

τ – продолжительность тепловой обработки продукта, ч.

Результаты расчетов и исходные данные сводим в таблицу 3. 2

3.3 Теплоприток от вентиляции помещений наружным воздухом

Теплоприток Q₃ учитывают только в том случае, если вентиляция требуется по технологической документации.

Q₃=(3. 8)

где V_пм – объем воздуха в помещении, м³;

ρ_пм – плотность воздуха в охлаждаемом помещении, кг/м³;

а_пм – кратность воздухообмена в помещении; [прил. 3.6] [1.с. 333]

i_н и i_пм – энтальпии воздуха, соответствующие наружной температуре и температуре воздуха в охлаждаемом помещении, кДж/кг.

Результаты вычислений и исходные данные сводим в таблицу 3. 3

Таблица 3. 3 – Теплопритоки от вентиляции

3.4 Эксплуатационные теплопритоки

Сумма эксплуатационных теплопритоков определяется по зависимости:

Q₄=Q_4.1+Q_4.2+Q_4.3+Q_4.4 (3.9)

где Q_4.1 – теплоприток от освещения, кВт;

Q_4.2 – теплоприток от работающих электродвигателей, кВт;

Q_4.3 – теплоприток от работающих людей, кВт;

Q_4.4 – теплоприток из смежных помещений через открытые двери, кВт.

Теплоприток от освещения.

Q_4.1= (3.10)

где А – относительная мощность светильников, кВт/м²;

F_пм – площадь помещения, м²;

Теплоприток от работающих электродвигателей.

Q_4.2=или Q_4.2=(3.11)

где N_эл – мощность электродвигателей, одновременно работающих в помещении, кВт; [прил. 3.10] [1.с. 334]

q_4.2 – относительная мощность электродвигателей, работающих в помещении, кВт/м².

Теплоприток от работающих людей.

Q_4.3=(3.12)

где n – число людей одновременно работающих в помещении; обычно 2–3 человека при F_пм<200 м² и 3–4 при F_пм>200 м². [прил. 3.10] [1.с. 333]

Теплоприток из смежных помещений через открытые двери.

Q_4.4=(3.13)

где B – удельный теплоприток при открывании дверей, кВт;

F – площадь камеры, м².

Результаты расчета и исходные данные сводим в таблицу 3. 4

Таблица 3. 4 – Эксплуатационные теплопритоки.

Таблица 3. 5 Сводная таблица теплопритоков

4. Расчет и подбор камерного оборудования

4.1 Выбор и обоснование способа охлаждения камер холодильника

На холодильниках принимают две системы охлаждения: непосредственное охлаждение помещения кипящим хладагентом и косвенное охлаждение промежуточным хладоносителем

Наиболее предпочтительным является применение непосредственного охлаждения. Так как использование промежуточного хладоносителя влечет за собой дополнительные потери холода и, кроме того, нам необходимо создать принудительное движение воздуха в камерах для вентиляции, следовательно, из способов охлаждения наиболее перспективным является охлаждение с помощью воздухоохладителей. В зависимости от рабочего тела, подаваемого в воздухоохладители, они разделяются на непосредственного охлаждения и рассольные.

Выбираем потолочные воздухоохладители типа ВОП с нижней подачей хладагента. Они предназначены для охлаждения воздуха в камерах хранения продуктов. Воздухоохладители состоят из охлаждающей батареи, узла вентиляторов, поддона для сбора талой воды и обшивки.

При охлаждении камер с помощью воздухоохладителей ускоряется процесс отвода теплоты от продукта, достигается равномерное распределение температуры по всему объему камеры.

4.2 Расчет и подбор приборов охлаждения

F_во.р= (4.1)

где Q_во – тепловая нагрузка на воздухоохладители, кВт;

k_во – коэффициент теплопередачи, кВт/(м²К); [прил. 4.1] [1.с. 167]

θ_во – разность теплообменивающихся, ºC.

Расчет площади теплопередающей поверхности производим в таблице 4. 1

Таблица 4. 1 Расчет площади теплопередающей поверхности

Подбираем два воздухоохладителя марки Я10-АВ2–150 для камеры №1; по два воздухоохладителя марки Я10 – АВ2–250 для камер №2 и №3 соответственно. Техническая характеристика воздухоохладителей дана в таблице 4. 2

Таблица 4. 2 Техническая характеристика воздухоохладителей.

5. Выбор режима работы холодильной установки

5.1 Определение режима работы холодильной установки

Определение режима работы холодильной установки заключается в определении температур кипения, конденсации и всасывания, построении цикла в диаграмме хладагента и определении параметров всех узловых точек.

Определение температуры кипения хладагента

t₀= (5.1)

где t_пм – температура воздуха в камере,

t₀= -4 ºC

Определение температуры конденсации

Определение температуры воды на входе в конденсатор:

t_вд.1=t_мт+(3–4) (5.2)

где t_мт – температура мокрого термометра, определяется по i-d-диаграмме, ºC

t_вд.1=20+4=24 ºC

Определение температуры воды на выходе из конденсатора:

t_вд.2=t_вд.1+4 (5.3)

t_вд.2=24+4=28 ºC

Определение температуры конденсации:

t_к=, ºC(5.4)

t_к=ºC

Определение температуры всасывания

t_вс=t₀+(5–10), ºC(5.5)

t_вс=-6+7=1 ºC

По данным расчета строим цикл в диаграмме S-T и определяем параметры узловых точек таблица 5. 1

Рисунок 2 – Цикл одноступенчатого сжатия.

Таблица 5. 1 – Параметры узловых точек

5.2 Выбор и обоснование схемы холодильной установки

Необходимый температурно-влажностный режим в охлаждаемых помещениях достигается за счет работы холодильной установки, включающей камерные приборы охлаждения. Они необходимы для отвода теплоты из помещений и передачи ее охлаждающей среде, циркулирующей в камерных приборах охлаждения. Выбираем непосредственный способ охлаждения, то есть отвод теплоты из помещений кипящим хладагентом.

Для камер хранения температура в камерах поддерживается на уровне 4 ºC. Целесообразно применять одноступенчатую холодильную установку.

Принимаем непосредственное охлаждение с нижней подачей хладагента в приборы охлаждения.

Таким образом, проектируется аммиачная безнасосная схема холодильной установки на одну температуру кипения с нижней подачей хладагента в приборы охлаждения (воздухоохладители), которая является наиболее приемлемой для заданных условий.

6. Расчет и подбор основного холодильного оборудования

6.1 Расчет и подбор компрессоров

Удельная массовая холодопроизводительность:

q₀=i₁-i₄ (6.1)

q₀=1680–570=1110 кДж/кг

где i₁ – энтальпия пара в точке 1, кДж/кг;

i₄ – энтальпия пара в точке 4, кДж/кг.

Действительная масса всасываемого пара:

m_д= (6.2)

m_д=, кг/с

где Q₀ – требуемая холодопроизводительность компрессорных агрегатов, кВт.

Действительная объемная подача:

V_д= (6.3)

где v₁ – удельный объем всасываемого пара в точке 1, м³/кг.

Индикаторный коэффициент подачи:

λ₁= (6.4)

где р₀ – давление кипения хладагента, мПа;

Δр_вс – депрессия при всасывании, Δр_вс=5 кПа;

Δр_н – депрессия при нагнетании, Δр_н=10 кПа;

Р_к – давление конденсации, мПа.

Коэффициент невидимых потерь:

(6.5)

Коэффициент подачи компрессоров:

(6.6)

Теоретическая объемная подача:

(6.7)

, м³/с.

По объемной теоретической подаче подбираем компрессорные агрегаты марки АО 600 П в количестве две штуки; техническая характеристика агрегата приведена в таблице 6. 1

Таблица 6. 1 Техническая характеристика компрессорных агрегатов

6.2 Расчет и подбор конденсаторов

Расчет и подбор конденсаторов производится по площади теплопередающей поверхности, определяемой по формуле:

F_к.р= (6.8)

где Q_к.р – расчетная тепловая нагрузка на конденсаторы, кВт.

Q_к.р=m_д(i₂-i₃) (6.9)

Q_к.р=, кВт

Θ_к.р - разность теплообменивающихся сред;

k_к.р – коэффициент теплопередачи конденсатора.

F_к.р=, м² (6.10)

По F_к.р подбираем конденсаторы марки КТГ-160 в количестве одного штуки.

Таблица 6. 2 Техническая характеристика конденсатора.

7. Расчет аммиачных трубопроводов

Внутренний диаметр трубопроводов определяем по формуле:

d=(7.1)

где d – внутренний диаметр трубы, м;

m – расход хладагента через трубопровод, кг/с;

v – удельный объем хладагента, м³/с

w – скорость движения хладагента по трубопроводу, м/с. [прил. 7.1] [1.с. 197 табл. 7.1]

Исходные данные и результаты расчета заносим в таблицу 7. 1

Таблица 7.1 Аммиачные трубопроводы

8. Расчет и подбор вспомогательного оборудования

Для безнасосных схем необходимо подобрать следующее вспомогательное оборудование: линейный ресивер, отделитель жидкости, защитные ресиверы, магистральный маслоотделитель, маслосборник.

8.1 Расчет и подбор линейного ресивера

Вместимость ресивера определяем по формуле:

(8. 1)

где (1/2–1/3-) m_д – количество хладагента проходящего через ресивер, кг/ч;

v₃ – удельный объем жидкости при t_к, м³/кг.

V_л.р=, м³

Подбираем линейный ресивер марки 0,75 РД

8.2 Расчет и подбор циркуляционного ресивера

Вместимость циркуляционного ресивера Vц. Р. определяем по формуле:

Vц. Р. >2 [Vн. т.+0,2 (Vб+V в. О.) + 0,3 Vвс.т.]

Выбираем циркуляционный ресивер марки 2,5 РДВа в количестве одной штуки

Таблица 8. 2 Техническая характеристика циркуляционного ресивера

8.3 Расчет и подбор дренажного ресивера

Емкость дренажного ресивера принимаем равной емкости линейного ресивера.

Выбираем ресивер марки 2,5 РД.

Таблица 8. 3 Техническая характеристика ресиверов

8.4 Расчет и подбор магистрального маслоотделителя.

Подбираем по диаметру нагнетательного магистрального трубопровода:

D_Y=32 мм

Выбираем маслоотделитель марки 50 МА.

Таблица 8. 4 Техническая характеристика маслоотделителя.

8.5 Расчет и подбор отделителя жидкости

Отделитель жидкости выбираем по диаметру магистрального всасывающего трубопровода Dy=80

Выбираем отделитель жидкости марки 100 ОЖГ

8.6 Расчет и подбор маслособирателя.

Принимаем маслособиратель марки 60 МЗС.

Таблица 8.6 Техническая характеристика.

8.7 Расчет и подбор испарителя

Площадь теплопередающей поверхности определяем по формуле:

F_и= (8.3)

где Q₀ – холодопроизводительность холодильной машины, кВт.

F_и=, м²

Подбираем испаритель марки ИТГ-200. Техническая характеристика приведена в таблице 8. 7

Таблица 8. 7 Техническая характеристика испарителя

8.8 Расчет и подбор насосов насосов для хладоносителя

Объемный расход циркулирующего хладоносителя находим по формуле:

V_хл.= (8.4)

где с_хл. – теплоемкость хладоносителя, кДж/кг;

ρ_хл. – плотность хладоносителя, кг/м³;

t_хл1 и t_хл2 – соответственно температура хладоносителя входящего и выходящего из испарителя, ºC.

V_хл., м³/с

Подбираем насос марки ЦГ – 6,3/32 в количестве одного штуки.

Таблица 8. 8 Техническая характеристика насоса

9. Расчет оборотного водоснабжения

9.1 Расчет и подбор градирни

Площадь поперечного сечения градирни определяем по формуле:

F₀=(9.1)

где Q_k – тепловой поток в конденсаторе, кВт;

q_f – условная плотность теплового потока; для вентиляторной градирни q_f=47–57 Вт/м². [1.с. 145 табл. 27]

F₀=, м²

Выбираем градирню марки ГПВ-320 в количестве трех штук.

Таблица 9. 1 – Техническая характеристика градирни

9.2 Расчет подбор насосов для воды

Подбор насосов производится по объемному расходу охлаждающей воды на конденсатор, который определяется по формуле:

V_в= (9.2)

где Q_k – тепловой поток в конденсаторе, Вт;

с_w – теплоемкость воды, кДж/(кг*К); [1.с. 139]

ρ_w – плотность воды, кг/м³;

t_w1 – температура воды, поступающей на конденсатор, ºC;

t_w2 – температура воды, выходящей из конденсатора, ºC.

V_в=, м³/с

Подбираем насосы марки 4к-90/20 в количестве двух штук.

Таблица 9. 2 Техническая характеристика насоса

Список используемых источников

1. Лашутина Н.Г., Суедов В.П., Полужкин В.П.: «Холодильно-компрессорные машины и установки», Колос. 1994 г. 423 с.

2. Янвель Б.К. «Курсовое и дипломное проектирование холодильных установок» – М.: ВО «Агропромиздат». 1989 г. 218 с.

3. «Холодильные машины. Справочник»: – М.: «Легкая и пищевая промышленность». 1982 г. 222 с.