міністерство освіти і науки України
Національний університет харчових технологій
А. В. Форсюк
ХОЛОДИЛЬНІ МАШИНИ
Курс лекцій
для студентів напряму підготовки 6.050604
“Енергомашинобудування”
денної, заочної та скороченої форм навчання
СХВАЛЕНО
на засіданні кафедри теплоенергетики та холодильної техніки як курс лекцій
Протокол №6 від 24.11.09
Київ НУХТ 2009
Форсюк А.В. холодильні машини: Курс лекцій для студ. напр. підг. 6.050604 «Енергомашинобудування» ден., заоч. та скороч. форм навч. – К.: НУХТ, 2008.– 178с.
Рецензент Засядько Я.І., канд.техн.наук
Форсюк А. В., канд. техн. наук
© А.В.Форсюк, 2009
© НУХТ, 2009
ВСТУП 5
1. КОМПРЕСОРИ ХОЛОДИЛЬНИХ МАШИН 5
1.1. Теоретичний об’ємний компресор 7
1.2. Робота компресора при різноманітних термодинамічних процесах стискання 10
1.3. Середній індикаторний тиск 13
1.4. Продуктивність та потужність теоретичного компресора 15
1.5. Дійсний поршневий компресор 16
1.5. Конструкції поршневих компресорів 32
1.6. Основні вузли та деталі компресорів 37
1.7. Регулювання холодопродуктивності поршневого компресора 44
1.8. Розрахунок поршневого компресора 50
4. Гвинтові компресори 59
5. Спіральні компресори 70
6. Ротаційні компресори 78
7. Компресори динамічного принципу дії 82
6. Теплообмінні апарати холодильних машин 101
Тепловий та конструктивний розрахунки конденсаторів 131
6. Випарники 140
Рис.9.1. Класифікація випарників 141
Випарники для охолодження рідких теплоносіїв. Проміжним рідким теплоносієм у випарниках можуть бути застосовані розсоли (водяні розчини солей NaCI, CaCl2), вода, спирт, водяний розчин етиленгліколю, холодильні агенти (наприклад R30) тощо. Як правило розсоли вибираються з концентрацією меншою чи рівною евтектичній, що дозволяє економити сіль. Температура початку кристалізації повинна бути нижчою від температури кипіння холодильного агента. Вибираючи проміжний теплоносій необхідно пам’ятати, що збільшення концентрації призводить до зростання в’язкості і, як наслідок, зниження ефективності теплообміну. 142
Тепловий та конструктивний розрахунки випарників для охолодження рідких теплоносіїв 163
Розрахунок випарників для охолодження повітря 169
Питання для підготовки до іспиту 180
Список літератури до курсу 184
ВСТУП
Для отримання штучного холоду необхідно здійснити термодинамічний цикл, який ґрунтується на другому законі термодинаміки, згідно якого для передавання теплоти від “холодного” тіла до “гарячого” необхідно затратити зовнішню роботу. Сукупність апаратів та пристроїв для здійснення такого зворотного термодинамічного циклу називається холодильною машиною.
Залежно від способу отримання штучного холоду вони діляться на три основні групи: компресорні, тепловикористовуючі та термоелектричні.
Компресорні використовують енергію у вигляді механічної роботи в одному з основних елементів – компресорі, в якому відбувається стискання паро- та газоподібних робочих речовин ХМ. В залежності від типу та потужності компресора його привід може бути від електричного двигуна, двигуна внутрішнього згорання, парової чи газової турбіни. Парокомпресорні машини виробляють переважну кількість штучного холоду у світі (до 90%).
Тепловикористовуючі холодильні машини в якості джерела енергії використовують теплоту відносно низького потенціалу – гарячу воду, відхідні димові гази, відпрацьовану пару турбін, що мають температуру вищу температури навколишнього середовища. Це так звані вторинні енергоресурси (ВЕР) з температурою 70-200 ºС. Останнім часом широкого розповсюдження набули розробки, у яких використовується геотермальна та сонячна енергія.
В термоелектричних машинах використовується безпосередньо електрична енергія. Для їхньої роботи непотрібні робочі речовини.
Апарати та пристрої, які входять до складу холодильних машин, поділяються на основні та допоміжні.
Основні призначені для здійснення того чи іншого термодинамічного циклу і за їх відсутності такий цикл не може бути реалізований. До них належать компресори, детандери, випарники, конденсатори, абсорбери, генератори і т.п.
Допоміжні апарати та пристрої дозволяють підвищити ефективність циклів, зробити роботу холодильної машини надійною та безпечною. До них відносять рідинні та газові теплообмінники, віддільники рідини, ресивери, проміжні посудини, фільтри і т.п.
Для найбільше поширених компресійних машин надважливим є компресор, що дав назву цьому типу ХМ. Від ефективності його роботи суттєво залежить ефективність роботи холодильної машини в цілому.
1. Компресори холодильних машин
Всі компресори поділяються на дві великі групи: компресори об’ємного принципу дії та компресори динамічного принципу дії.
Холодильні компресори об’ємного принципу дії – це механізми, в яких підвищення тиску (стискання робочої речовини) досягається шляхом зменшення об’єму камери стискання або різкого виштовхування газового середовища в трубопровід, за рахунок переміщення рухомого елементу (наприклад поршня). Робочі процеси в таких машинах здійснюються строго послідовно, повторюючись циклічно.
В компресорах динамічного принципу дії підвищення тиску досягається шляхом перетворення кінетичної енергії руху потоку в потенціальну енергію тиску. В таких машинах робоча речовина безперервно протікає через проточну частину компресора, а густина її по мірі протікання зростає від входу до виходу від початкового значення до кінцевого.
Компресори кожної з груп поділяються за конструктивною ознакою.
Класифікація компресорів може бути представлена у вигляді:
Умови роботи холодильних компресорів відрізняються від умов роботи звичайних компресорів в тому числі і повітряних. Умови роботи холодильних компресорів характеризуються наступними особливостями:
із-за зміни зовнішніх умов роботи холодильної машини компресор працює в широкому діапазоні зміни тисків нагнітання та всмоктування та великої різниці цих тисків;
багато робочих речовин (наприклад, холодоагенти) легко розчиняються в мастилі, що суттєво впливає на робочі процеси в компресорі (особливо мастилонаповнених) і, як правило, знижує надійність підшипникових вузлів;
усмоктуваний у компресор пар має низьку температуру і може містити краплини робочої речовини, що не випарувалися;
робочі процеси поршневого компресора можуть супроводжуватися періодичною конденсацією деякої кількості робочої речовини на внутрішніх стінках циліндра з наступним його випаровуванням;
багато робочих речовин (особливо холодоагенти) мають високий ступінь проникності не тільки через рознімання, але і через пори чавунних виливків, у той же час витік робочої речовини в атмосферу, як і підсмоктування повітря в компресор, цілком неприпустимі;
компресори холодильних машин працюють із холодильними агентами, що мають великий діапазон зміни фізичних і хімічних властивостей: густоти, в’язкості, плинності, хімічної стійкості й активності.
Важливою особливістю компресорів об’ємного принципу дії є можливість їхньої роботи на будь-яких холодильних агентах без зміни конструкції. Ці компресори працюють, як правило, при наявності мастила в робочому просторі.
Важливою особливістю компресорів динамічного принципу дії є повна відсутність мастила в робочому просторі.
До холодильних компресорів cтавляться високі вимоги, що випливають із їхньої ролі й умов роботи в складі холодильної машини. Основними з них є:
висока надійність і достатній моторесурс роботи основних вузлів і компресора в цілому, що забезпечує задані режими роботи холодильної машини;
висока енергетична ефективність у широкому діапазоні зміни параметрів роботи компресора – перепаду і ступеня підвищення тисків, а також продуктивності;
можливість повної автоматизації роботи компресора і надійної експлуатації його без обслуговуючого персоналу;
високий ступінь герметизації;
низькі швидкості руху пари в клапанах і трактах компресорів, через які рухається холодильний агент;
технологічність конструкцій, високий ступінь уніфікації деталей і вузлів компресора, доступність матеріалів для їхнього виготовлення, мала матеріалоємність;
низький рівень шуму і механічної вібрації.
Вибір того або іншого типу компресора залежить від умов роботи, необхідної холодопродуктивності і властивостей холодильного агента, що використовується.