Холодильна установка для охолодження харчових продуктів

Холодильна установка для охолодження харчових продуктів

Вступ

Холодильні установки удають собою комплекс машин і апаратів, які використовуються для зберігання харчових продуктів в умовах температур нижчих чим у навколишньому середовищі. Строк зберігання харчових продуктів при негативних температурах зростає в десятки разів.

В холодильних машинах, які використовуються в харчових виробництвах, застосовують усі види холодильних машин, але найбільш поширені парокомпресійні машини. Абсорбційні машини використовують при наявності вторинних енергетичних ресурсів у вигляді димових і відпрацьованих газів, факельних викидів газів, відпрацьованої пари та інших джерел.

Розрахунок холодильної установки складається із наступних стадій:

-        розрахунки холодильного циклу;

-        теплові розрахунки;

         розрахунок компресора;

         розрахунок і вибір конденсатора та випаровувача;

         вибір допоміжного обладнання.

1. Теоретичні основи процесу роботи холодильної машини

У зв’язку з відсутністю у більшості харчових виробництв вторинних енергоресурсів вибираємо парокомпресійну холодильну машину, схема якої приведена на малюнку 1.

Малюнок 1. Схема холодильної машини: 1 - Компресор; 2 - Конденсатор; 3 - Випаровував; 4 - Дросель; 5 - Сепаратор; 6 - Масловідділювач; 7 - Ресивер

Холодильна машина уявляє собою герметичний контур заповнений робочім тілом - холодоагентом (аміаком, фреоном і т. і.). Парокомпресійна холодильна машина включає основне холодильне обладнання (компресор - 1, конденсатор - 2, випаровувач - 3, дросель - 4) та допоміжні апарати (відділювачі рідини - 5, масловідділювач - 6, ресивер - 7, прилади автоматичного контролю, арматуру).

Пара із холодоагента випаровувача - 3 всмоктується компресором - 1 і нагнітається в конденсатор - 2, де зріджується (переходить у рідину), віддаючи тепло охолоджуючій воді (в домашніх побутових холодильниках оточуючому повітрі). Рідинний холодоагент через дросель - 4 входить у випаровувач - 3, де перетворюється у пару, сприймаючи тепло.

Потік пари, який виходить із випаровувача звичайно утримує краплини рідинного холодильного агента, попадання якого в щілину компресора утворює небезпеку аварійного режиму, особливо при пуску отепленого випаровувача та при різкому зростанні теплового навантаження.

Для попередження всмоктування вологої пари, на лінії між випаровувачем і компресором розташоване сепараційне улаштування - 5 (відділювач рідини). У потоці пари із компресора утримується значна кількість мастильного масла. Масляна плівка, яка попадає на поверхню теплообмінних апаратів, замітно погіршує інтенсивність теплообміну. В масловідділювачи - 6 більша частина масла затримується і по мірі накопичення повертається в картер компресора. Розташований нижче конденсатора лінійний ресивер є збірником конденсату та виконує функції зберігання поверхні теплообміну у незатопленому вигляді та утворення запасу робочого навантаження.

Дросель - 4 забезпечує зниження тиску та оптимальне заповнення випаровувача рідиною, звичайно на рівні верхнього ряду труб.

Випаровувач - 3 розташовується у холодильній камері, утворюючи знижену температуру харчових продуктів, за рахунок відбору тепла від них, яке витрачається на випаровування холодильного агента.

Для нагляду за показниками теплодинамічних процесів, які проходять в холодильній машині, їх зручно зображати в Т - S і Р - і діаграмі, де Р - тиск, і - ентальпія, Т - абсолютна температура, S - ентропія.

Малюнок 2. Цикл холодильної машини

Згідно схеми холодильної машини (мал. 1) теоретично цикл її в діаграмах Т - S і Р - і (мал. 2) наступний:

` - 1 - відділення рідини в сепараторі при постійному тиску;

- 2 - адіабатне стиснення сухої пари в компресорі;

- 3 - ізобарне охолодження стиснутих та перегрітих парів у конденсаторі;

- 4 - ізобарна та ізотермічна конденсація рідкого холодильного агента 3 - 4 - ізобарна та ізотермічна конденсація рідкого холодильного агента у конденсаторі;

- 4` - ізобарне переохолодження рідкого холодильного агента у конденсаторі, або в окремому переохолоджувачу, до температури більш низької ніж температура конденсації (при тому ж самому тиску);

` - 5 - ізоентальпійне дроселювання у регулюючому вентелі з падінням температури і тиску;

- 1¢ - ізотерма і ізобара випаровування (кипіння) холодильного агента в випаровувачі з підводом тепла охолоджуючого середовища.

1.1 Холодильні агенти

Холодильні агенти повинні бути нешкідливими для організму людини, не повинні викликати корозії металів у машині та трубах, не бути горючими та вибуховобезпечними, а також повинні мати приємні термодинамічні властивості: помірний тиск при температурах випаровування і конденсації, малий питомий об’єм парів та мала тепломісткість рідини, коефіцієнт теплопровідності та тепловіддача повинні бути високими, температура твердіння холодильного агента повинна бути, як можна нижча, а критична температура як можна вищою. Холодильні агенти повинні бути інертні по відношенню до мастил, мати малу в’язкість та помірну вартість.

В якості реальних холодильних агентів найбільш часто використовують аміак та фреони. Аміак використовується в компресорних машинах середньої та великої продуктивності для температур випаровування до -70˚С. Робочий тиск в конденсаторі звичайно не перевищує 15 атм. У випаровувачі вакуум виникає тільки при температурах нижче -34˚С. На мідь та її сплави аміак виявляє руйнуючу дію. Він відрізняється різким характерним запахом і дуже шкідливий для організму людини, якщо його склад у повітрі більш 0,1%. Кількість вологи в рідкому аміаку не повинна перевищувати 0,2%.

Фреони удають з себе органічні фтористохлористі з’єднання, які вперше були синтезовані у 1930 році та широко використовуємі по даний період в діапазоні температур кипіння від - 40˚С до +40˚С.

Переваги фреонів - нешкідливість, висока питома молекулярна вага, низькі температури твердіння, невисокі температура і тиск у кінці стиснення парів.

Недоліки фреонів - мала вагова холодопродуктивність, висока в’язкість низькі коефіцієнти тепловіддачі, трудність виявлення витків.

У таблиці 1 приведені термодинамічні властивості аміаку та фреону-22.

Таблиця 1

2. Розрахунок і конструювання холодильної установки

2.1 Теплові розрахунки

За допомогою таблиць насиченої та перегрітої пари для фреону - 22 визначені параметри в узлових крапках циклу холодильної машини (табл. 2).

Таблиця 2. Параметри вузлових крапок циклу

Термодинамічні розрахунки компресора.

Холодопродуктивність робочого тіла - q₀ = i1 - i3= 1678 - 537 = 1141 кДж/кг

Кількість циркулюючого робочого тіла, кг/годину G = Q₀/q_{0 =} 120 / 1141 = 0,105 кг/с = 378,6 кг/год

Дійсний годинний об’єм, м³/годин Vq = G * V1 = 378,6*0,53 = 200,66 м³/год

Адіабатна робота, кДж/кг Lад = і₂ - і₁ = 1917-1678 = 239 кДж/кг

Адіабатна потужність, кВт Nад = G*Lад/3600 = 378,6 * 239/3600 = 25,13 кВт

Прийнята величина відносно мертвого простору компресора, % С = 6,0

Відношення тиску в прийнятому режимі роботи компресора,

σ = P/Po = 11,9/2,41 = 4,94

Коефіцієнт об’ємних втрат lі. Приймає втрати на всмоктуванні ΔРо = 0,05 атм = 4900 Па, на нагнітанні Р = 0,1 атм = 9800 Па

lі = (Ро - ΔРо)/Ро - С [(Po+ΔPo)/Pо - (Ро-ΔРо) /Po] = (2,41-0,05)/2,41-0,06* *[(11,9+0,1)/2,41 - (2,41 - 0,05)/2,41] = 0,739

Коефіцієнт підігріву l¢w = To/T

Коефіцієнт подачі l = lі * l¢w

Об’єм, описаний поршнем компресора, м³/годину Vn = Vq/l

Індикаторний ККД ŋ_і = lٰw + b*t_o

де коефіцієнт b = 0,001 - аміак

Індикаторна потужність, кВт Nі = Nад/ŋ_і

Потужність втрачаєма на тертя

тер = Рі тер * Vn/1000*3600 кВт,

де Рі тер = 0,6 * 10⁵ Па = 0,6 атм експериментальне значення втрат тиску

Ефективна потужність, кВт Nе = Nі + Nтер

Приймаємо:

середню швидкість руху, Сm, м/с

число циліндрів, i, шт.

Діаметри циліндра, D = м,

де 1413 - коефіцієнт перерахунку

Прийнятий діаметр 65,6

Прийняте відношення y = S/D

Хід поршня, S, мм; S =ψD₀

Число обертів вала компресора, об/хвил n=30*Cm/S

Об’єм, описуємий поршнем компресора

м³/годину Vn= (p*D²/4) * S * n* і *60

Об’ємна холодопродуктивність, кДж/м³ qv = q_o/V1

Теоретичний середній індикаторний тиск, атм Рі тер = qυ/Ке

де 36,72 - коефіцієнт перерахунку кВт год в атм

Уточнення потужності електродвигуна

Індикаторна потужність компресора

і = Рі * Vn/36,72 = 6,47 *319/36,72= =56,02 кВт

Потужність на тертя, Nтер = Рі тер * Vn/36,72= 0,6 * 319/36,72 = 5,21 кВт

Ефективна потужність, Ne = Nі + Nтер= 56,02 + 5,21 = 61,23 кВт

По даним [5] вибираємо марку компресора: стор. 87 таб. 10

АУ - 150 П, n = 960 об/хв., Vn = 528 м³/год, Qo = 232600 кДж/год.

Вибір електродвигуна:, n, тип

електродвигун трьохфазний

А 280S6У3= 75 кВт n = 985 об/хв

Розрахунок і вибір конденсаторів.

Сумісний тепловий потік в конденсаторі, кДж/год

к = Nі + Qo= 432000 + 30,05 * 3600 = 540180 кДж/год

Середня різниця температур у конденсаторі

qсер = (Δtб - Δtм)/2,3* lg Δtб/Δtм= 4,7˚С

Коефіцієнт теплопередачі у системі - вода - рідинний холодоагент

Ксер = 700-1000 вт/м²*k =2500-3600 кДж/м²годК=3500 кДж/м²год*k

Поверхня конденсатора м²

F = Qк/K * Δtср= 540180/3500 * 4,7 =32,83 м²

Витрати охолоджуючої води на конденсацію; м³/год

= Q_K/(Cw * (tw1 - tw2) ∙ 1000) = 540180/4,19 * 4 *1000 = 32,23 м³/год

В якості конденсатора вибираємо [5, ст. 139,141]

Горизонтальний кожухотрубний конденсатор 40 КТГ

поверхня - 40 м² діаметр - 600 мм

довжина - 4640 мм

штуцера: аміак - 100 мм вода - 25 мм

Розрахунок і вибір випаровувача

вип = 1,1 * Qо= 432000*1,1=475200 кДж/год

,1 - коефіцієнт, який враховує 10% втрати тепла в навколишнім середовищі

Середня різниця температур у випаровувачі, середня різниця температур

вип = (Δt_б - Δtм)/2,3 * lg Δt_б/Δtм

ΔtБ = tx1 - to

Δtм = tx2 - to

= -5 ⁰С - температура холодоносія (розчину хлористого кальцію) на вході у випаровувач;= -15 ⁰С - температура кипіння холодоагента;= -12 ⁰С - температура холодоносія на виході із випаровувача;

ΔtБ = -5 - (-15) = +10 ⁰С

Δtм = -12 - (-15) = +3 ⁰Сср = (10*3)/2,3 * lg (10/3) = 5,82⁰С

Коефіцієнт теплопередачі кожухотрубчастих випаровувачів

кДж/м²годК

аміак - розсіл

- 1000= 950

Теплопередаюча поверхня випаровувача; м²

= Qвип/(k * Qср) = 475200/950 * 5,82 = 85,9 м²

Кількість циркулюючого розсолу, кг/год

= Qвип/Cp*(tp1 - tp2) = 475200/2,8*7=24245 кг/год

Ср = 2,8 кДж/кг * k

В якості випаровувача вибираємо:

Кожухотрубний аміачний

випаровував 90 - КТ

поверхня - 90 м²

діаметр - 800 мм; довжина - 4670 мм

штуцера:

аміачний - 150 мм

рідинний - 125 мм

Розрахунок і вибір параметрів переохолоджувача.

Навантаження на переохолоджувач визначимо по залежності [5.стр. 30]

пер = Т * ΔS * G= 300 * 0,3 * 378,6 = 34074 кДж/год

T = Tcp = (25+3)/2+273 = 300 К

ΔS = 4,5 - 4,2 = 0,3 кДж/кг К

Коефіцієнт теплопередачі переохолоджувачів [5.стр152]

k = 1600-2500 кДж/м²годК

Теплопередаюча поверхня

= Qпереохол./(k * Qcp) = 34074/2500 * 4,5 = 3,02 м²

ср = 30 - (-15) = 45 в аміачному ⁰С

Вибір переохолоджувача [5, ст. 150 - 153]

Теплообмінник фреоновий діаметр - 80 мм

Довжина - 640 мм

Витрати води на переохолоджувач

в=Qпер/Cв* b* (tв2 - tв1) =34074/4,19*1000*4=2,03 м³/год

в2 - tв1 = 4 С

Рідинний фреон переохолоджується за рахунок пари, ідучої із випаровувача.

2.2 Гідравлічні розрахунки холодильної машини

Розрахунок і вибір параметрів насосів для перекачування води і розсолу.

Вхідні данні:

діаметр трубо про воду для води dв=30 м;

довжина lв=50 м;

діаметр трубопроводу для розсолу dр= 20 мм;

довжина lр = 100 м;

витрати води Ww =32,23+2,02=34,25 м³/год (0,0095 л/с)

витрати розсолу Gp =24245 кг/год

густина розсолу r = 1260 кг/год

Втрати тиску в системі подачі води

холодильний компресор термодинамічний переохолоджувач

ΔР=ρgƯ²/2g*(l* l/d +∑ ξ_к) = 1000*9,81*(5,2)² /2 * 9,81*

*(0,03*50/0,03 + 10) = 0,45* 10⁶ Па = 0,875*^106Па=4,46 атм

=37,13/0,785∙0,06²∙3600=3,64 м/с;

де l = 0,03, ∑ ξ = 10 - сумісний коефіцієнт місцевих втрат

Потужність насосу, кВт= PW/1000=9 * 10⁵ * 37,13/1000*3600 =9.28 кВт

Потужність електродвигуна, кВт

дв = N/ŋ= 9.28/0,836 = 11.1 кВт

Вибір насосу та електродвигуна [8, ст. 186; 7, ст. 16]

Насос 4К8 N = 18кВт= 2900 об/хв.

Електродвигун

А 160 М243=18 кВт n = 2940 об/хв

Втрати тиску в системі подачі розсолу ΔP =6.38 аті

N = ΔP*G/r=6,38*24245/1260*100*3600=3,4кВт

Вибираємо марку насоса та електродвигуна

Насос 4КМ8 N = 5 кВт

Ел. Двигун 4А 100L 243= 5 кВт n = 2900 об/хв.

2.3 Розрахунки на міцність

Визначення товщини стінки у тракті руху холодильних агентів

= 100 мм = 0.10 м - діаметр трубопроводу

Рраб - робочий тиск збитковий, P = 11,3 аті

[σ] - допустима напруга на розрив, [σ] = 138 мм/м²

Для створення більшої герметичності та надійності приймаємо товщину стінки S = 2 мм

2.4 Вибір холодильного агрегату

Розраховані параметри обладнання та вибрані окремі апарати холодильної машини при їх з’єднанні в агрегат, дадуть найкращі експлуатаційні показники роботи машини. Однак на практиці дуже рідко використовувачі холодильної техніки займаються питаннями виготовлення та монтажу холодильних машин Більш доцільно закуповувати холодильні машини у вигляді випускаємих готових холодильних агрегатів. В цьому випадку строки монтажу і вводу в експлуатацію скоротяться в декілька разів. Однак при цьому завжди виникають проблеми відповідності показників роботи агрегату проектним даним. Виробляємі компресорні агрегати по багатьом основним показникам, проведених конструкторсько-технологічних розрахунків, можуть забезпечити їх у промисловому виробництві

Вхідні параметри для вибору холодильного агрегату

Параметри вибраного компресорного агрегату

3. Основи експлуатації холодильних установок

Завдання експлуатації холодильних установок - створення і підтримка нормативних температурно-режимів вологості в охолоджуваних приміщеннях або забезпечення заданих технологічних процесів виробництва при мінімальних витратах на виробництво холоду і за умови безпечної та надійної роботи обладнанні

У завдання технічної експлуатації холодильної установки входить її обслуговування - пуск, зупинка, регулювання режиму роботи, який характеризується температурами кипіння, конденсації переохолодження всмоктування і нагнітання підтримка заданого температурного режиму в охолоджуваних об'єктах, подача у виробничі цехи, усунення несправностей у роботі, проведення дрібного поточного ремонту обладнання, а також ведення обліку роботи холодильної установки.

Неполадки в роботі холодильної установки

Важливу роль у цьому відіграє підготовка обслуговуючого персоналу здатного керувати сучасним автоматизованим холодильним устаткуванням.

Обслуговуючий персонал холодильної установки повинен мати відповідну кваліфікацію і добре знати устаткування і правила його експлуатації.

В компресорному цеху холодильного підприємства вивішують інструкції, які визначають права, обов'язки механіка, машиніста, помічника машиніста, електрика, механіка з автоматики, а також виробничі інструкції з обслуговування всієї установки в цілому окремих її агрегатів і елементів. Виробничі інструкції повинні містити короткий опис агрегату або елемента установки і схему його приєднання до магістральних трубопроводах порядок його обслуговування при автоматичному і ручному управлінні як при нормальному режимі так і при відхиленні від нього послідовність виконання операцій при пуску і зупинки заходи безпеки при обслуговуванні та ремонтін заходи які слід приймати при аварійному перебуваючи, зокрема при прориві робочого тіла в місцях порушення герметичності; порядок ремонту, огляду і перевірки устаткування.

У діючі інструкції слід своєчасно вносити зміни, пов'язані з удосконаленням н автоматизацією обладнання, а також зі зміною правил безпеки. У процесі експлуатації можуть виникати різні неполадки в результаті неправильного обслуговування, несправності компресора, апаратів, приладів охолодження, а також зміни зовнішніх умов. Ці неполадки порушують нормальну роботу установки і викликають відхилення від оптимального режиму.

Висновок

Проведені розрахунки обладнання холодильної установки холодопродуктивністю 120 кВт. Для підвищення економічності холодильної машини передбачена установка переохолоджувача холодильного агента. Вибраний холодильний компресійний агрегат в цілому відповідає розрахунковим показникам.

Список літератури

1. Розенфельд Л.М., Ткачов А.Г., Гуревич Е.С. Примеры и расчёты холодильных машин и аппаратов. - М.: Госиздательство торговой литературы, 1960. - 238 с.

. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильне и холодильне установки. - М.: Энергия 1972. -320 с.

. Дытнерский Ю.И. Основне процессы и аппараты химической технологи / Пособие по проектированию. - М. Химия, 1983. - 272 с.

. Комаров Н.С. Справочник холодильника. - К.: Гостехиздат., 1953. - 396 с.

. Кондрашова Н.Г., Лашутина Н.Г. Холодильно - компресорные машины и установки. - М.: В.Ш., 1973. - 384 с.

. Быков А.В. (ред.). Холодильне машины / Справ очник. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 223 с.

. Длоучкий В.В. (ред.). Ленинград: Машиностроение, 1982. - 383 с.

. Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидравлические машины и гидроприводы. - М.: Машиностроение, 1982. 423 с.

. Бромлей М.Ф. Гидравлические машины и холодильные установки. М., 1971 Доссат Р. Основы холодильной техники. М., 1984 Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. М., 1991

. Чумак И.П. и др. Холодильные установки. - К., г. Москва, 1981 г. - 316 -318 с.