Министерство образования и науки Российской Федерации

Омский государственный технический университет

Теоретические основы холодильной техники

Методические указания к выполнению курсовых работ

Омск 2004

Составители: Василий Александрович Максименко, канд. техн. наук, доцент,

Андрей Николаевич Фот.

Печатается по решению редакционно–издательского совета Омского государственного технического университета.

Введение

При выполнении курсовой работы студенты практически применяют знания, полученные по дисциплине «Теоретические основы холодильной техники», а также по дисциплинам, на которых этот курс базируется (физика, химия, термодинамика, теплопередача и др.).

Задачей выполнения курсовой работы является приобретение и закрепление практических навыков по расчету термодинамических циклов паровых и других типов холодильных машин, калорическому расчету охлаждаемых помещений и выбору теплоизоляционных материалов, по расчету и проектированию основных элементов холодильных машин, по проектированию и компоновке схем холодильных установок. Кроме того, при выполнении курсовой работы студенты учатся самостоятельно пользоваться справочной технической литературой. При выполнении графической части работы развиваются навыки технического черчения (в том числе и с использованием ЭВМ).

Курсовая работа является завершающим этапом изучения курса и показывает умение обучающихся выполнять основные теплотехнические расчеты, знание ими оборудования и схем холодильных установок, а также отдельных технологических процессов.

Для курсовой работы обычно предлагаются темы по проектированию торговых, распределительных и производственных холодильников небольшой производительности, холодильных установок для различных (в том числе и низкотемпературных) климатических камер, а также варианты конструкторских расчетов теплообменных аппаратов холодильных установок (конденсаторов, испарителей, воздухоохладителей) с элементами оптимизации.

К выполнению курсовой работы допускаются студенты, сдавшие экзамены по дисциплине. Курсовая работа выполняется каждым студентом самостоятельно при консультации руководителя, выделяемого кафедрой.

Последовательность выполнения проекта

Несмотря на многообразие тем курсовых работ, их выполняют практически в одинаковой последовательности. Это объясняется тем, что основным объектом проектирования является холодильная установка независимо от её назначения, будь то охлаждение камер холодильника, охлаждение продуктов или материалов технологических процессов, охлаждение воздуха в системе кондиционирования. Проектирование любой холодильной установки можно подразделить на следующие основные этапы: выбор расчетных параметров; определение нагрузки на холодильную установку (при необходимости при этом выполняется калорический расчет охлаждаемых помещений и производится выбор теплоизоляции с определением её толщины); выбор схемы и расчет цикла холодильной установки; расчет и подбор основного и вспомогательного оборудования; принятие объемно-планировочных решений по размещению основного и вспомогательного оборудования; расчет диаметров трубопроводов и разработка схемы разводки трубопроводов. Разработка объемно-планировочной и строительной частей холодильника носит в курсовой работе вспомогательный характер и поэтому выполняется в объеме, необходимом для расчета нагрузки на холодильную установку и придания холодильной установке конкретного характера.

Рекомендуемая последовательность выполнения курсовой работы приведена на рис. 1.

Содержание расчетно-пояснительной записки

В расчетно-пояснительной записке должны быть отражены все этапы выполнения курсовой работы, приведены необходимые теплотехнические расчеты, даны описания схем, оборудования и средств автоматизации. Для пояснения отдельных расчетов в записке приводят схемы и рисунки (упрощенную планировку холодильника, конструкции ограждений, расчетные схемы холодильной установки, изображение цикла в диаграммах и др.).

Расчетно-пояснительная записка помимо основной части включает титульный лист, задание на курсовую работу, содержание и список использованной литературы. Объем расчетно-пояснительной записки составляет 20 – 25 страниц машинописного текста.

В разделе «Введение» следует указать предполагаемую область использования искусственного холода, краткую характеристику возможных режимов работы объекта, места его расположения, влияния климатических условий, основные критерии для выбора рабочего тела и схемы холодильной установки.

В разделе «Выбор расчетного температурного режима» приводят виды продуктов, подлежащих хранению, обосновывают температуру поступления продуктов, структуру холодильника, расчетные значения температуры и относительной влажности наружного и внутреннего воздуха, расчетные температуры грунта, воды в соответствии с районом строительства, рекомендуемые диапазоны и принятые разности температур для построения холодильного цикла.

Объемно-планировочные решения

На предприятиях торговли и общественного питания холодильник представляет собой блок из нескольких холодильных камер, расположенных в группе складских помещений. Холодильник предназначен для краткосрочного хранения или заморозки самых разнообразных продуктов.

Высоту камер обычно принимают равной от 2,7 до 3,5 м. При большей высоте камер предусматривают подвесной потолок с проветриваемым пространством между потолком и перекрытием.

Двери охлаждаемых камер и тамбуров должны быть теплоизолированными, с плотными резиновыми притворами и прижимными затворами. Открываться двери должны в сторону выхода из камеры. Ширина дверей 0,9 м. Холодильные агрегаты размещают в машинном отделении, расположенном рядом с камерами.

Расчет теплопритоков в охлаждаемое помещение

Расчет коэффициента теплопередачи

Общий коэффициент теплопередачи многослойной ограждающей конструкции с последовательно расположенными слоями рассчитывают по формуле

, (1)

где R₀ - общее сопротивление теплопередаче многослойной ограждающей конструкции, ,

R_н - сопротивление теплопередаче соответственно с наружной или более теплой стороны охлаждения, , .

R _i- сопротивление теплопроводности i-того строительного слоя конструкции (кроме теплоизоляции), .

, (2)

R_в - сопротивление теплоотдаче с внутренней стороны ограждения, .

, (3)

R_из - сопротивление теплопроводности термоизоляционного слоя, .

, (4)

_н, _в - коэффициенты теплоотдачи с наружной и внутренней стороны ограждения ;

_I - толщина строительных слоев конструкции, м;

_I - коэффициент теплопроводности строительных слоев конструкции, ;

_из - толщина теплоизоляционного слоя, м;

_из- коэффициент теплопроводности изоляционного слоя, ;

Расчетные значения коэффициентов теплопередачи выбирают из таблиц, например 8.1 [3].

Определение толщины теплоизоляционного слоя

Чем больше значение коэффициента теплопередачи ограждения, тем больше теплоты будет проникать в охлаждаемый объем холодильника. Это приводит к необходимости в более мощной, а, следовательно, и более дорогой холодильной установке. Уменьшить теплоприток можно путем уменьшения , что достигается применением более эффективной теплоизоляции или увеличением ее толщины. Однако при этом возрастают затраты на теплоизоляцию. Поэтому при проектировании ограждающих конструкций холодильника целесообразно принимать такую теплоизоляцию и, следовательно, такое расчетное значение . Чтобы годовые первоначальные затраты были минимальными.

Значения для наружных стен и бесчердачных покрытий принимаются, например, из таблицы 8.2 [3], для внутренних стен и перегородок, отделяющих охлаждаемые помещения от неохлаждаемых и неотапливаемых, а также для обогреваемых полов на грунтах - из табл.8.3 [3], для перегородок между охлаждаемыми помещениями – из табл. 8.4 [3].

Зная , необходимую толщину теплоизоляционного слоя можно определить по формуле

. (5)

После расчета толщины изоляционного слоя, в случаи использования материалов с фиксированной толщиной, может оказаться, что расчетная величина не соответствует стандартной толщине выпускаемых плит. В таком случае необходимо принять толщину плит. Округление толщины изоляционного слоя производится в сторону увеличения с тем, чтобы действительное значение коэффициента теплоотдачи было не больше требуемого.

Если принятая толщина теплоизоляции отличается от расчетной более, чем на 10 %, то следует определить действительное значение коэффициента по формуле:

. (6)

Условия невыпадения конденсата

Если толщина теплоизоляции недостаточна, то температура поверхности ограждения со стороны помещения с более высокой температурой может опуститься ниже температуры точки росы воздуха в этом помещении t_т.р. и на поверхности ограждения выпадет конденсат в виде росы или инея. Это приводит к переувлажнению ограждающих конструкций и их ускоренному разрушению. Поэтому при разности температур в смежных камерах свыше 10^о С перегородки проверяют на выпадение конденсата. Такую же проверку выполняют и для наружных стен и перекрытий в камерах с положительными температурами (например, во фруктохранилищах) при расчетной зимней температуре наружного воздуха. Температуру внутренней поверхности ограждающей конструкции определяют по формуле

. (7)

Для того, чтобы не произошло выпадение конденсата, должно соблюдаться условие: τ_в > t_т.р.

Температуру точки росы воздуха определяют по I – d диаграмме при расчетных значениях t_в и φ_в воздуха в помещении с более высокой температурой.

Расчет теплопритоков.

Для поддержания заданной температуры в охлаждаемом помещении необходимо, чтобы все теплопритоки отводились камерным оборудованием - батареями и воздухоохладителями.

При определении этой нагрузки учитывают следующие теплопритоки: через ограждающие конструкции помещения Q₁; от продуктов или материалов при их холодильной обработке Q₂; с наружным воздухом при вентиляции помещений Q₃; от различных источников при эксплуатации камер Q₄; от фруктов и овощей в процессе «дыхания», необходимом для жизнедеятельности клеток, Q₅.

Каждый из этих видов теплопритоков, как правили, непрерывно изменяется, причем их максимальные значения не совпадают по времени. Поэтому для точного определения величины максимума результирующего теплопритока в камеру и времени его наступления необходимо построить графики изменения каждого из теплопритоков в течение длительного периода и произвести их сложение.

Нагрузку на камерное оборудование определяют как сумму всех теплопритоков в данную камеру, так как камерное оборудование должно обеспечить отвод теплоты при самых неблагоприятных условиях.

(8)

Расчет каждого из теплопритоков достаточно подробно рассмотрен в специальной литературе, например, [3, 9].

Определение нагрузки для подбора холодильного оборудования

Компрессор (или несколько включенных компрессоров) подбирают на группу камер, имеющих примерно одинаковые температуры.

Нагрузка на компрессор Q_км складывается из всех видов теплопритоков, однако в ряде случаев их можно учитывать не полностью, а частично, в зависимости от типа и назначения холодильника.

Расчетную (требуемую) холодопроизводительность для подбора компрессоров (на каждую температуру кипения отдельно) определяют по формуле

Q_от = k ΣQ_км, (9)

где k – коэффициент, учитывающий потери в трубопроводах и аппаратах холодильной установки, ΣQ_км - суммарная нагрузка на компрессоры для данной температуры кипения.

При непосредственном охлаждении:

t_о, ^оС -40 -30 -10

k 1,1 1,07 1,05

При рассольном охлаждении k= 1,12.

Кроме того, компрессоры подбирают с запасом по производительности, чтобы коэффициент рабочего времени для компрессоров на крупных холодильниках b был не менее 0,9 (расчетное время работы 22 ч в сутки). Для холодильных установок предприятий торговли общественного питания, а также при децентрализованном холодоснабжении b= 0,6…0,8.

Расчет и подбор компрессоров и теплообменных аппаратов

Эти задачи решаются при проведении теплового расчета холодильной машины, который выполняют в следующем порядке.

Составляют расчетную схему холодильной машины.

Выбирают расчетный режим.

Производят расчет цикла холодильной машины (расчет удельных и полных параметров цикла).

Из данных расчета цикла по требуемой объемной производительности компрессора Vт по каталогу или справочникам подбирают компрессор, агрегат или комплексную холодильную машину с компрессорами, объемная подача которых на 20…40 % больше требуемого Vт, что обеспечивает работу компрессора с коэффициентом рабочего времени b= 0,8…0,6.

Используя данные расчета цикла и уравнения теории теплопередачи производят тепловой или тепловой и конструктивный расчеты теплообменных аппаратов (конденсатора и испарителя). Основные методики проведения этих расчетов изложены, например, в [2, 5].

З А Д А Н И Я