Расчет цикла одноступенчатой паровой холодильной машины, определение параметров хладагента и подбор компрессора: Методические указания для очной формы обучения

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра "Машины и аппараты пищевых производств"

Р.Н.Касимов, О.А. Кузнецов Р.Ф. Сагитов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ "Расчет цикла одноступенчатой паровой холодильной машины, определение параметров хладагента и подбор компрессора"(для очной формы обучения)

Оренбург 1999

ББК 31.392 Я7 К 28 УДК 621.56.001.24 (07)

1 Лабораторно-практическая работа № 1 Расчет цикла одноступенчатой паровой холодильной машины, определение параметров хладагента и подбор компрессора Лабораторно-практическая работа №1 выполняется в соответствии с заданием, выдаваемым преподавателем, и сводится к выбору расчетного рабочего режима, построению цикла холодильной машины, определению параметров хладагента, тепловому расчету холодильной машины и подбору компрессора и конденсатора. а) Выбрать рабочий режим для холодильной установки, обслуживающей камеру первой стадии двухстадийного охлаждения мяса на холодильнике мясокомбината, расположенного в (см. № варианта Приложение А). 1) Рабочий режим холодильной установки характеризуется температурами кипения to, конденсации tk,, переохлаждения (жидкого хладагента перед регулирующим вентилем) tп, всасывания (пара на входе в компрессор) tвс Исходные данные. Расчетные параметры наружного воздуха для (см. № варианта): tн - (летняя температура) ϕ н - (относительная влажность воздуха). По i - d диаграмме (Приложение Б) для влажного воздуха определяем температуру мокрого термометра tм.т. (пересечение линии i=const, характеризующей состояние наружного воздуха с линией ϕ = 1,0 ). Температура оборотной воды (воды, поступающей на конденсатор) обычно на 3-4 оC выше температуры по мокрому термометру, то есть принимаем:

t вд. = t м.т. + 3 .

(1)

Конденсатор испарительный. Для первой стадии охлаждения температура воздуха в камере t в = −12 о С Определяем режим работы. В качестве хладагента возьмем аммиак. 1

При непосредственном охлаждении температура кипения tо обычно на 7-10 С ниже температуры воздуха в камере: о

t о = t в − 10 = −12 − 10 = −22 о С .

(2)

Для исключения влажного хода компрессора пар перед ним перегревается. Для машин, работающих на аммиаке, безопасность работы обеспечивается при перегреве пара на 5-15 оС. Примем температуру всасываемого пара на 7 оС выше температуры кипения: t в.с. = −22 о С + 7 = −15 о С .

(3)

Температура конденсации для испарительного конденсатора принимаем по Приложению В. Исходя из наружных условий ( t н , ϕ н ) определяем температуру конденсации при тепловом потоке q F = 2000 Вт / м 2 : t k = Температуру переохлаждения жидкого хладагента принимаем на 5 оС выше температуры оборотной воды: t п = t вд + 5 .

(4)

хотя обычно в схему с испарительным конденсатором переохладитель не включают. б) Построить цикл одноступенчатой паровой холодильной машины по полученным температурам (см. п.а 1): о

tо=

С; tк=

о

С; tп=

о

С; tвс=

о

С.

1) По указанным температурам строим цикл в S-T и i-lgP диаграммах (цикл строить произвольно без масштаба). Т

lg P 2 3 3

tk, Pk

'

2'

3

tn 4

3'

tk, Pn tn

to, Po

1

tвс

to, Po 4

2' 2

tвс 1'

1

1'

2

S

i

Рисунок 1 По температурам tо и tк находим соответствующие изобары po и pк в области перегретого пара и переохлажденной жидкости (на диаграмму S - T изобары в области переохлажденной жидкости не наносят). В результате построения получаем опорные точки: 1' - на пересечении изотермы tо с линией сухого насыщенного пара; 2' - на пересечении изотермы tк с линией сухого насыщенного пара; 3' - на пересечении изотермы tк с линией жидкости; 3 - на пересечении изотермы tп с изобарой pк в области переохлажденной жидкости (в S - T диаграмме точку 3 условно наносят на линию жидкости при температуре tп). На пересечении линий tвс и pо в области перегретого пара находим точку 1, определяющую состояние пара, всасываемого компрессором. Через точку 1 проводим линию постоянной энтропии (адиабату) до пересечения с изобарой pк в точке 2, которая определяет состояние пара в конце сжатия. Последнюю точку 4 получаем на пересечении линии постоянной энтальпии, проходящей через точку 3 с изотермой и изобарой pо в области влажного пара. Точка 4 характеризует состояние хладагента после дросселирования в регулирующем вентиле. Самостоятельно описать процессы, изображенные в диаграмме. в) Определить параметры точек цикла (см. п. б 1) Определить параметры хладагента можно по таблицам насыщенных паров и диаграммам состояния. 1) По таблицам насыщенных паров аммиака (Приложение Г) определяем параметры точек, находящихся на пограничных кривых (для сухого насыщенного пара и для насыщенной жидкости) и в области переохлажденной жидкости: - 1' - для сухого насыщенного пара при tо; - 2' - для сухого насыщенного пара при tк; - 3' - для жидкости при tк; - 3 - для жидкости по tп, кроме давления, которое в процессе переохлажения не изменяется, а поэтому в данной точке равно давлению конденсации pк (точка 3 в диаграмме S - T нанесена на пограничной кривой с некоторым приближением). 2) Параметры точек 1, 2, 4, определяем по диаграммам согласно построению (Приложение Д): 1 - в области перегретого пара на пересечении линий pо и tвс; 2 - в области перегретого пара на пересечении линий S1=const pk ;

3

-

4 - в области влажного пара на пересечении линий i3=const и tо,

pо. Параметры измеряются в одной системе единиц и сводятся в таблицу: Таблица 1 Номер точки 1 1'

t, оС P, МПа v, м3/кг I, кДж/кг 2

3

4

5

S, кДж/кг×К 6

1 2 2' 3' 3 4

Состояние 7 Сухой насыщенный пар Перегретый пар То же Сухой насыщенный пар Насыщенная жидкость Переохлажденная жидкость Х=

г) Произвести тепловой расчет одноступенчатой холодильной машины и подобрать компрессор, если заданы холодопроизводительность Qo=200 кВт и температурный режим (см. п. в 2). Хладагент - аммиак. Одноступенчатый компрессор можно применять в довольно широком диапазоне рабочих условий. Ограничивают возможность применения температура нагнетания, которая не должна превышать 160 оС, и разность давлений pк - pо, которая для современных поршневых компрессоров не должна превышать 1,7 МПа. Тепловой расчет включает определение описываемого объема для выбора компрессора и эффективной мощности на его валу для подбора электродвигателя. 1) Определим описываемый объем V компрессора. - холодопроизводительность 1 кг агента (в кДж/кг): q o = i1' − i 4 = ,

(кДж/кг).

(5)

- рассчитываем массовый расход пара - массовую подачу компрессора (в кг/с): М = Qo / q o , (кг/с), (6) где Qo - нагрузка на компрессор с учетом потерь, кВт; - определяем объемный расход пара - объемную подачу компрессора (в м3/с): 4

Vд = M ⋅ v1 , (м3/c), (7) 3 где v1 - удельный объем всасываемого пара, м /кг - по графику (Приложение Е) находим коэффициент подачи компрессора в зависимости от степени сжатия p к / p o , типа компрессора и хладагента: pk / po , λ.

(8)

- определяем описываемый объем компрессора V (в м3/c) V = Vg / λ . (9) 2) По полученному в п. г 1 описываемому объему по приложению Ж подбираем один или несколько компрессоров соответствующего размера. 3) Определим эффективную мощность Ne на валу компрессора. (компрессор бескрейцкопфный). - вычисляем теоретическую (адиабатную) мощность NT (в кВт) компрессора: N T = M (i 2 − i1 ) .

(10)

- определяем действительную (индикаторную) мощность Ni (в кВт) компрессора: N i = N T / ηi ,

(11)

где η i - индикаторный к.п.д. Для бескрейцкопных компрессоров индикаторный к.п.д. можно принимать 0,79 - 0,84. Большие значения относятся к более крупным компрессорам.(Индикаторный к.п.д. принимать по среднему значению). Рассчитываем эффективную мощность Ne (в кВт) на валу компрессора: Ne = Ni /ηм ,

(12)

где η м - механический к.п.д., учитывающий потери на трение. Для крупных бескрейцкопных компрессоров механический к.п.д. можно принимать от 0,82 до 0,92, причем большие значения коэффициентов относятся к большим по размерам компрессорам. (Механический к.п.д. также принимать по среднему значению). 4) По полученной в п. г 3 эффективной мощности (по Приложению Ж) подбираем электродвигатель компрессора с запасом 10 - 15 %. Это не относится к встроенным электродвигателям, мощность которых может быть значительно меньше. 5

5) Определяем тепловой поток Qk (в кВт) в конденсаторе: - действительный с учетом потерь в процессе сжатия: Q k = Qo + N i ,

(13)

или - теоретический по разности удельных энтальпий теоретическом цикле с учетом переохлаждения в конденсаторе: Qk = M (i 2 − i3 ) ,

в (14)

без учета переохлаждения в конденсаторе: Qk = M (i 2 − i ' 3 ) .

(15)

Тепловой поток, определенный по двум последним формулам будет ниже, чем поток с учетом потерь. д) Подобрать испарительный конденсатор для холодильной машины, работающей на аммиаке, если заданы холодопроизводительность Qo=200 кВт, температурный режим (см. п. в 2) и тепловой поток Qk (см. п. г 5). Расчет конденсатора сводится к определению площади теплопередающей поверхности, по которой подбирают один или несколько конденсаторов с суммарной площадью поверхности, равной расчетной. При расчете параметров принимаем испарительный конденсатор с удельным тепловым потоком qF=2000 Вт/м2. вычисляем площадь теплопередающей поверхности конденсатора: F=

Qk Qk ⋅ 1000 = . 2000 qF

(м2)

(16)

По приложению Д принимаем испарительный конденсатор с площадью поверхности теплообмена F. По приведенной методике могут производиться тепловой расчет и подбор компрессоров и конденсаторов для установок любой производительности.

6

Список использованных источников 1. Холодильная техника /В.Ф. Лебедев, И.Г. Чумак, Г.Д. Аверин, Ю.Д. Румянцев, А.М. Хелемский) Под ред. В.Ф. Лебедева. - М.: Агропромиздат, 1986. - 335 с. 2. Свердлов Г.З., Явнель Б.К.. Курсовое и дипломное проектирование холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Пищевая пром-сть, 1978. 273 с. 3. Якшаров Б.П., Смирнова И.В. Справочник механика по холодильным установкам. - Л.: Агропромиздат. 1989. - 312 с.

7

Приложение А (обязательное) Таблица А. 1 - Таблица данных температуры и относительной влажности по городам России Относительная Температура оС Город влажность, ϕ % среднегодовая Летняя зимняя летняя зимняя 1 2 3 4 5 6 1. Волгоград 7,6 35 -25 33 84 2. Краснодар 10,8 34 -18 46 73 3. Самара 3,8 32 -29 48 4. С.-Петербург 4,3 27 -24 59 82 5. Москва 4,8 30 -26 50 83 6. Новосибирск -0,1 30 -39 56 80 7. Оренбург 3,9 34 -30 40 83 8. Пермь 1,5 29 -31 57 83 9. Ростов-на8,7 33 -21 41 81 Дону 10. Саратов 5,3 33 -28 41 77 11. Томск -0,6 29 -39 59 79 12. Уфа 2,8 32 -30 53 82 13. Н.Новгород 3,1 29 -28 56 86 14. Чита -2,7 32 -39 53 73 15. Ярославль 2,7 28 -28 58 85 16. Архан0,8 27 -32 63 87 гельск 17. Астрахань 9,4 34 -22 37 81 18. Барнаул 1,1 31 -37 54 77 19. Брянск 4,9 30 -23 53 82 20. Владимир 3,4 29 -28 57 86 21. Вологда 2,2 28 -29 61 84 22. Курск 5,4 30 -24 53 84 23. Омск 0,0 31 -36 52 79 24. Воронеж 5,4 33 -25 47 87 25. Владивос4,0 30 -12 79 62 ток 26. Сочи 13,4 32 -1 67 70 27. Хабаровск 1,4 32 -33 67 76 28. Иваново 2,7 30 -28 56 86 29. Мурманск 0,0 25 -26 63 86 8

30. Екатеринбург

1,2

30

-24

54

Приложение Б (обязательное) i-d диаграмма влажного воздуха

9

79

10

Приложение В (обязательное) График для определения удельной тепловой нагрузки испарительных конденсаторов

11

Приложение Г. (обязательное)

Таблица Г.1 - Параметры насыщеных паров аммиака (параметры даны с округлением) Темпера Давление Удельный объем Удельная Удельная энтальпия энтропия тура °С абсолютн ое, МПа Жидкос пара v'', жидкос пара i'', жидкост пара S'', кДж/(кг ти i', кДж/кг и S', ти v', м3/кг кДж/кг кДж/(кг л/кг ×К) ×К) 12

1 50 48 46 44 42 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 18 16 14 12

2 2,03 1,93 1,83 1,74 1,64 1,56 1,51 1,47 1,43 1,39 1,35 1,31 1,27 1,24 1,21 1,17 1,13 1,10 1,07 1,03 1,00 0,97 0,94 0,91 0,88 0,85 0,80 0,75 0,71 0,66

3 1,78 1,77 1,76 1,75 1,74 1,73 1,72 1,72 1,71 1,71 1,70 1,70 1,69 1,69 1,68 1,68 1,68 1,67 1,67 1,66 1,66 1,65 1,65 1,65 1,64 1,64 1,63 1,62 1,62 1,61

4 0,064 0,067 0,071 0,075 0,079 0,083 0,086 0,088 0,091 0,093 0,096 0,099 0,101 0,104 0,108 0,111 0,114 0,117 0,121 0,125 0,128 0,132 0,136 0,141 0,145 0,149 0,159 0,169 0,181 0,193

5 659 650 639 629 618 609 604 599 593 588 583 579 574 569 564 560 555 551 546 541 536 531 526 522 517 512 502 492 483 474

6 1712 1712 1712 1712 1711 1711 1711 1710 1710 1709 1709 1708 1708 1707 1707 1706 1706 1705 1705 1704 1704 1703 1702 1702 1701 1700 1699 1697 1696 1694

7 4,99 4,96 4,92 4,89 4,86 4,83 4,82 4,80 4,79 4,77 4,75 4,74 4,72 4,71 4,69 4,68 4,66 4,64 4,63 4,61 4,60 4,58 4,56 4,55 4,53 4,52 4,48 4,45 4,42 4,39

8 8,25 8,27 8,29 8,31 8,33 8,35 8,36 8,37 8,38 8,39 8,40 8,41 8,42 8,43 8,45 8,46 8,47 8,48 8,49 8,50 8,51 8,52 8,53 8,55 8,56 8,57 8,59 8,61 8,64 8,66

4 0,206 0,220 0,235 0,252 0,270 0,290 0,310 0,334

5 465 455 446 437 428 419 409 400

6 1692 1689 1687 1685 1683 1682 1680 1678

7 4,35 4,32 4,28 4,25 4,22 4,19 4,15 4,12

8 8,69 8,71 8,74 8,76 8,79 8,81 8,84 8,87

Продолжение таблицы Г.1 1 10 8 6 4 2 0 -2 -4 13

2 0,62 0,57 0,54 0,50 0,46 0,43 0,40 0,37

3 1,60 1,59 1,59 1,58 1,57 1,57 1,56 1,55

-6 -8 -10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 -20 -22 -24 -26 -28 -30 -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50

0,34 0,31 0,29 0,28 0,27 0,26 0,25 0,24 0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 0,17 0,16 0,14 0,13 0,12 0,11 0,098 0,088 0,080 0,072 0,065 0,058 0,052 0,046 0,041

1,55 1,54 1,53 1,53 1,53 1,52 1,52 1,52 1,52 1,51 1,51 1,51 1,50 1,50 1,49 1,49 1,48 1,48 1,47 1,46 1,46 1,45 1,45 1,44 1,44 1,43 1,43 1,42

0,360 0,388 0,419 0,435 0,452 0,470 0,490 0,510 0,530 0,550 0,570 0,600 0,620 0,680 0,740 0,810 0,880 0,960 1,060 1,160 1,280 1,410 1,550 1,720 1,900 2,110 2,350 2,630

392 382 372 367 363 358 354 350 345 340 336 331 327 318 308 300 290 282 273 264 255 246 237 228 219 210 202 193

1675 1673 1671 1669 1668 1667 1666 1664 1663 1662 1660 1658 1657 1654 1651 1648 1645 1642 1640 1636 1633 1630 1626 1623 1620 1617 1613 1610

4,09 4,05 4,02 4,00 3,98 3,96 3,95 3,93 3,91 3,89 3,88 3,86 3,84 3,81 3,77 3,73 3,70 3,66 3,62 3,59 3,55 3,51 3,47 3,43 3,40 3,36 3,32 3,28

8,89 8,92 8,95 8,96 8,98 8,99 9,01 9,02 9,04 9,05 9,07 9,08 9,10 9,13 9,16 9,19 9,22 9,26 9,29 9,33 9,36 9,40 9,44 9,47 9,51 9,55 9,59 9,63

Приложение Д (обязательное) Диаграмма i-lg ρ для аммиака

14

15

Приложение Ж (обязательное)

Таблица Ж. 1 - Показатели агрегатов Показатели агрегатов А110-7-0 1 2 Холодопроизводительность при to=-15 o C, tк=30 о С КВт Мкал/час o о При to=5 C, tк=35 С 325 КВт 280 Мкал/час 53 Эффективная мощность, кВт Описываемый объем 0,0836 М3/c 3 301 м /ч 0,06 Расход смазки , кг/час 3 0,5 Расход воды, м /ч Электродвигатель АОП2-91-4 Марка 75 Мощность, кВт 24,7 Частота вращения, -1 1480 с

А110-7-2 3

1А110-7-2 4

А165-7-0 5

А165-7-2 6

А220-7-0 7

А220-7-2 8

140 120

93 80

-

180 155

-

267 230

39

26

440 380 75

52

663 570 112

78

0,0836 301 0,06 0,5

0,056 200 0,06 0,5

0,125 450 0,07 1,0

0,125 450 0,07 1,0

0,167 602 0,085 1,6

0,167 602 0,085 1,0

АОП-282-4 55

АОП-2-826 40

АОП-292-4 100

АОП2-914 75

АЖ315С1-4 132

АОП2-924 100

24,5

16,3

24,7

24,7

24,5

24,7

об/мин Продолжение таблицы Ж. 1 1 длина, мм ширина, мм высота, мм Монтажная длина, мм Диаметры трубопроводов, мм Всасывающего Нагнетающего

1470

980

1480

1480

1470

1480

2 2275 1215 1370 2910

3 2200 1215 1370 2835

4 220 1215 1370 2835

5 2320 1215 1300 3000

6 2330 1215 1300 3010

7 2365 1215 1560 3075

8 2390 1215 1560 3100

100 65

100 65

100 65

100 100

100 100

125 100

125 100

ПРИМЕЧАНИЕ: 1. В таблице приведены характеристики агрегатов на базе компрессоров П110, П165, П220, предназначенных для работы на аммиаке. 2. Обозначения агрегатов, предназначенных для работы на хладоне-22: А110-2-0; А220-2-0; А220-2-2. При работе на хладоне-22 холодопроизводительность агрегатов составит около 90% от указанной в таблице, а эффективная мощность - 95%. 3. Диаметр цилиндров 115 мм, ход поршня - 82мм. 4. Число цилиндров компрессоров: П110 - четыре; П165 - шесть; П220 - восемь. 5. Описываемый объем указан при частоте вращения вала 24,5 с-1 (1470 об/мин), кроме агрегата 1А110 7-2.

2

Приложение И (обязательное)

Коэффициенты подачи компрессоров 1 - современных бескрейцкопфных; 2 - винтовых бустер-компрессоров; 3 - винтовых; 4 - работающих на хладоне - 22; 5 - ротационных; 6 - малых, работающих на хладоне - 12.

Приложение К (обязательное) Таблица К. 1 Характеристики некоторых типов испарительных конденсаторов Характеристики испарительных конденсаторов ИК - 125 ИК - 90 ЭВАКО - 200 278 210 Тепловой поток, кВт 400 2 27,0 22,0 Поверхность форконденсатора, м 56,0 2 64,8 75,0 137,5 Поверхность основной секции, м осевой Тип вентилятора осевой центробежный 2,2 2,2 3,0 Мощность электродвигателя, кВт 3 40 18 Объемный расход воды, подаваемый на орошение, м /ч 3,0 3 0,60 0,75 3,0 Объемный расход добавляемой воды, м /ч

ЭВАКО - 400 490 40,5 117,3 осевой 4,0 80 1,20