Кондиционер К-25СМ / Дипломный проект_пояснительная записка.doc

1.           Введение

Целью настоящей разработки, является создание кондиционера взамен
К—25 С, повышенной холодопроизводительности и улучшенных эксплуатационных характеристик, с заменой озоноопасного холодильного агента R12 на R22, разрешенного к применению до 2020 г., с использованием комплектующих изделий российского (либо белорусского) производства.

Особенностью разработки является необходимость сохранения габаритных и присоединительных размеров кондиционера-аналога, при практически полной замене теплообменных аппаратов и основных комплектующих изделий производства стран «ближнего зарубежья» на изделия российского производства, замене озоноопасного холодильного агента на озонобезопасный, увеличении производительности кондиционера по холоду и обрабатываемому воздуху и улучшении эксплуатационных и надежностных характеристик разрабатываемого кондиционера по сравнению с аналогом.

При этом особое внимание уделяется обеспечению требований по живучести и стойкости к внешним воздействиям (в т.ч. сейсмостойкости), а также применению новых конструктивных решений по теплообменным аппаратам, обеспечивающим повышение их эффективности и улучшение обслуживания.

В настоящей записке представлены результаты технического проектирования кондиционера К—25 СМ, его основные технические характеристики, дано описание конструкции кондиционера и его газовогидравлической схемы, произведен оптимизационный технико-экономический расчет конденсатора с выбором оптимальных технических решений и приведены расчеты, подтверждающие работоспособность конструкции кондиционера и его элементов и их характеристики.

Автономный кондиционер К—25 СМ с хладоновой парокомпрессионной холодильной машиной с герметичным поршневым компрессором и с водяным охлаждением конденсаторов предназначен для комплектации стационарных наземных и подземных спецобъектов (спецсооружений) со стесненными условиями монтажа размещаемого в них оборудования.

Кондиционер обеспечивает вентиляцию, охлаждение и частичную осушку (процессор осушки является сопутствующим процессу охлаждения) воздуха в изолированных от внешней среды объемах объектов с целью создания и поддержания в них заданного температурно-влажностного режима.

Кондиционер может устанавливаться как непосредственно в кондиционируемом помещении, так и вне его.

При установке в кондиционируемом помещении, обработка воздуха в нем осуществляется по схеме рециркуляции (с забором воздуха непосредственно из помещения и возвратом обработанного воздуха в помещение).

При необходимости добавления в помещение наружного воздуха с целью обеспечения в нем заданного газового состава воздушной среды, последнее осуществляется с использованием специальных вентиляционных (фильтро-вентиляционных) установок, не входящих в состав кондиционера, обеспечивающих требуемую очистку подаваемого воздуха от пыли и других вредных и опасных для здоровья веществ. При установке вне кондиционируемого помещения, кондиционер должен размещаться в непосредственной близости к нему и соединяться с ним заборным и подающим воздуховодами (в состав кондиционера не входят).

В этом случае обработка воздуха в помещении может осуществляться:

— по схеме рециркуляции;

— по схеме вентиляции помещения наружным воздухом, обрабатываемом в кондиционере. При этом, в зависимости от температуры наружного воздуха, необходимость в его охлаждении может отпасть, что позволяет существенно снизить потребляемую кондиционером электрическую мощность (за счет выключения холодильной машины), сэкономить ресурс и продлить срок службы кондиционера в целом. Вместе с тем, режим вентиляции помещения наружным воздухом применим только в определенном интервале температур наружного воздуха и при отсутствии с нем загрязнений.

Примечание. При расположении вне кондиционируемого помещения кондиционер должен размещаться в примыкающем к нему помещении (отсеке), защищающем его от воздействия климатических и иных факторов внешней среды и спецфакторов, значения которых превышают регламентируемые техническими условиями на кондиционер.

Исходными параметрами на проектирование являются:

— холодопроизводительность Q₀ = 35 кВт

— температура воздуха на входе t_в1 = 35 °С;

— температура воздуха на выходе t_в2 = 23 °С

— относительная влажность воздуха на входе j_в1 = 40 %

— температура воды на входе t_w1 = 30 °С

— расход воды 11 м³/ч;

2.           Техническая характеристика

2.1.   Основные технические параметры

Полезная холодопроизводительность кондиционера — 35,0 кВт при следующих условиях:

— температура воздуха на входе — 35 °С;

— относительная влажность воздуха на входе — 40 %;

— температура воды — 30 °С;

— расход воды — 11 м³ /ч.

Производительность по воздуху — 5500 м³/ч

Потребляемая мощность:

— в режиме охлаждения — 11,2 кВт

— в режиме вентиляции — 1,3 кВт

Род тока — переменный трехфазный, частота — 50 Гц, напряжение — 380 В — в силовой цепи, напряжение в цепи управления — 27 В постоянного тока.

Холодильный агент — хладон R22.

Габаритные размеры кондиционера:

высота — 1970 мм

ширина — 1550 мм

глубина — 825 мм

Масса кондиционера — 950 кг

2.2.   Условия и особенности эксплуатации кондиционера

Рабочая температура окружающего воздуха +5…+ 40 °С, относительная влажность 20…70 %.

Примечание. При температурах от +5 °С до +18 °С кондиционер работает только в режиме вентиляции.

Рабочая температура воздуха на входе в кондиционер — от +18 °С до +40 °С.

Кондиционер должен сохранять работоспособность и основные технические характеристики после воздействия факторов, регламентированных для группы 1.5 ГОСТ В 20.39.304, а также обладать сейсмостойкостью со стороны строительных конструкций спецобъекта с расчетными ускорениями по вертикали до 16,5g при длительности воздействия 20…50 мкс; и по горизонтали — до 12g при длительности воздействия 25…75 мкс.

Основной режим работы кондиционера — автоматический, периодами 2500…3000 ч без непосредственного местного обслуживания. Автоматическое поддержание температуры воздуха в помещении обеспечивается с помощью датчика-реле температуры, устанавливаемого в помещении.

Помимо автоматического, предусмотрено дублирующее ручное управление (для регулирования, настройки системы и аварийных ситуаций).

Точность поддержания температур воздуха в помещении в месте установки датчика-реле температуры составляет ±2 °С от крайних значений заданных температур.

Кондиционер имеет рабочее и защитное заземление, соответствующее требованиям ПУЭ для особо опасных помещений.

Уровни спектральных составляющих звукового давления в диапазоне частот 60…8000 Гц на измерительной поверхности, удаленной от корпуса кондиционера на расстояние 1,0 м и усредненные по точкам, не должны превышать нормы, определяемой прямой, проходящей через точку 76 дБ на частоте 1000 Гц и имеющей понижение в сторону высоких частот 6 дБ на октаву.

Ресурс работы кондиционера до заводского ремонта при условии замены комплектующих изделий в соответствии с ТУ на них составляет не менее 40000 ч, назначенный ресурс до списания — 75…80 тыс.ч.

Срок службы до заводского ремонта — 10 лет.

Срок службы до списания — 20…25 лет.

Требования по удобству эксплуатации, технического обслуживания, ремонта и хранения кондиционера, а также требования по эргономике и технической эстетике реализованы на уровне кондиционера-аналога.

Кондиционер удовлетворяет требованиям ПУЭ и Правилам устройства и безопасной эксплуатации фреоновых холодильных установок и требованиям пожарной безопасность.

При разработке технического проекта на кондиционер обеспечена преемственность конструктивных и схемотехнических решений, принятых на образце-аналоге.

3.           Описание принципиальной газовогидравлической
схемы кондиционера

Кондиционер представляет собой шкаф, состоящий из двух отделений: нижнего — компрессорно-конденсаторного и верхнего — воздухоохладительного.

Стенки корпуса кондиционера выполнены в виде съемных щитов для удобного доступа к оборудованию.

Все щиты верхнего отделения имеют теплоизоляцию.

В корпусе размещается все оборудование кондиционера, за исключением приборов управления, сигнализации и электросиловой аппаратуры, которые смонтированы в щите управления.

В нижнем отделении кондиционера размещены: компрессор, два конденсатора, хладоновый фильтр, теплообменник, отделитель жидкости, два датчика-реле давления, два мановакуумметра.

В верхнем отделении размещены воздухоохладитель с шестнадцатью капиллярными трубками и вентиляторный агрегат.

В кондиционере применена схема одноступенчатой холодильной машины с водяным охлаждением конденсаторов, работающей на хладоне R22.

Кондиционер работает в режимах охлаждения и вентиляции.

В режиме охлаждения в воздухоохладителе (поз. 1) осуществляется охлаждение и частичная осушка обрабатываемого воздуха. Воздух засасывается в кондиционер вентиляторным агрегатом (поз. 14). Через фильтр, где он очищается от пыли, и жалюзи, расположенные на передней его стороне, и направляется в воздухоохладитель.

Охлаждение воздуха происходит за счет отдачи тепла кипящему в трубках воздухоохладителя холодильному агенту, а осушение — благодаря тому, что температура поверхности воздухоохладителя ниже температуры тачки росы проходящего воздуха.

Сконденсированная влага стекает с поверхности воздухоохладителя в поддон, откуда удаляется через водоотводящую трубку.

Воздух, охлажденный и осушенный в воздухоохладителе, отсасывается вентиляторным агрегатом и нагнетается в помещение.

Для охлаждения и осушения воздуха осуществляется следующий холодильный цикл.

В трубках воздухоохладителя происходит кипение парожидкостной смеси и перегрев паров хладона за счет тепла воздуха, просасываемого через воздухоохладитель. Пары хладона из воздухоохладителя попадают в теплообменник (поз. 9) и, пройдя через отделитель жидкости (поз. 10), засасываются герметичным компрессором (поз. 2). Компрессор сжимает пары хладона до давления конденсации и нагнетает их в конденсаторы (поз. 5), где они конденсируются, отдавая тепло охлаждающей воде, циркулирующей по трубкам внутри конденсаторов.

Из конденсаторов жидкий хладон через хладоновый фильтр (поз. 8), теплообменник и клапан запорный (поз. 11) поступает в капилляры (поз. 13), где осуществляется дросселирование переохлажденного жидкого хладона от давления конденсации до давления кипения. При этом образуется парожидкостная смесь, которая поступает в воздухоохладитель.

В трубках воздухоохладителя происходит кипение парожидкостной смеси и перегрев паров хладона.

В дальнейшем повторяется цикл, описанный выше.

В схему кондиционера включены два датчика-реле давления (поз. 3, 7), обеспечивающие защиту компрессора от аварийного состояния по давлениям нагнетания.

В режиме вентиляции включается в работу только вентиляторный агрегат, осуществляющий циркуляцию воздуха в помещении без температурно-влажностной его обработки.

4.           Предварительный расчет кондиционера

4.1.   Определение исходных данных

4.1.1. Определение температуры конденсации

t_к = 40 °С (п. 5.5)

4.1.2. Определение температуры кипения

По графику зависимости холодопроизводительности компрессора ХГВ—28,0 от температур кипения и конденсации определяем расчетное значение температуры кипения, при которой обеспечивается требуемая холодопроизводительность: t₀ = 7 °С.

Данные значения принимаются в качестве исходных данных при расчетах холодильного цикла и тепловых расчетах.

4.2.   Расчет цикла

Исходные данные:

1) холодопроизводительность

2) температура конденсации

3) температура кипения

4) переохлаждение в конденсаторе

5) переохлаждение в теплообменнике

6) перегрев паров хладона на всасывании в компрессор

Из диаграммы i—lg(p) для хладона R22 находим параметры отдельных точек цикла.

Точка 2.7' - состояние жидкого хладагента на выходе из конденсатора:

Точка 2.7 — состояние жидкого хладагента на выходе из регенеративного теплообменника:

Точка 1.4 — состояние хладагента после капилляра:

Точка 1.3 — состояние хладагента после воздухоохладителя:

Точка 1.1' — состояние газообразного хладагента на выходе из регенеративного теплообменника:

отсюда

Точка 1.1 — состояние хладагента на всасывании в компрессор:

Точка 2.2 — состояние паров хладагента в конце сжатия в компрессоре:

Удельная холодопроизводительность

Удельная объемная производительность

Массовый расход хладагента

Удельная изоэнтропная работа компрессора

Объемная производительность компрессора

Тепловая нагрузка на конденсаторы

Тепловая нагрузка на теплообменник

5.           Исследовательский расчет конденсатора

5.1.   Характерные параметры холодильных систем

Для систематизации анализа холодильных систем их параметры целесообразно условно разделить на три основные группы — режимные, технические и экономические.

К режимным параметрам отнесены: температуры охлаждаемого объекта и окружающей среды; температуры теплоносителей; расходы, теплоемкости и плотности теплоносителей, скорости потоков в соответствующих элементах; температурные напоры в теплообменных аппаратах; параметры термодинамического цикла (холодильного агента) на всех уровнях давлений; теплотехнические параметры, включая холодопроизводительность и мощность; массовые расходы холодильного агента и скорости потоков в соответствующих элементах.

К техническим параметрам отнесены: рабочие коэффициенты компрессорных ступеней; рабочие коэффициенты регулирующих органов; коэффициенты, определяющие теплопередачу в аппаратах; гидравлические характеристики трактов элементов и коммуникаций; теоретический объемный расход, геометрические размеры, частота вращения рабочих органов компрессоров; площадь теплообменной поверхности, геометрические размеры теплообменных аппаратов; вместимость по холодильному агенту и размеры емкостных аппаратов.

К экономическим параметрам отнесены: массы и габаритные размеры элементов; стоимость электроэнергии; плата за установленную мощность; стоимость охлаждающей воды; годовая продолжительность работы системы в часах; нормативные коэффициенты эффективности капитальных вложений и амортизационных отчислений от капитальных затрат; стоимость элементов системы, их транспортировки и монтажа; стоимость фундаментов, сооружения помещений и их обслуживания; заработная плата обслуживающего и ремонтного персонала.

В каждой из этих групп важно выделить классифицирующие параметры, характеризующие масштаб холодильной системы или ее элемента, которые используют для приведения параметров к удельному виду. В качестве классифицирующих параметров выбраны: из режимных параметров — холодопроизводительность Q, массовые расходы холодильного агента для первой ступени G₁ и теплоносителей G_w, G_s; из технических параметров — теоретический объемный расход первой ступени V_т, площадь теплообменной поверхности аппаратов F, вместимость аппаратов по холодильному агенту υ, из экономических параметров — масса оборудования Y, годовая продолжительность работы системы τ, стоимость (тариф) расходуемой электроэнергии ξ_э

Для расчета характеристик, оптимизации и анализа эффективности холодильных систем первостепенное значение имеет правильное назначение или выбор заданных параметров (исходных данных). Рассмотрим подробнее имеющиеся для этого предпосылки.

При анализе холодильной установки температуры охлаждаемого объекта и окружающей среды обычно задают как средние для летнего периода эксплуатации. Здесь может потребоваться учет изменения этих температур при круглогодичной эксплуатации. Это же относится и к холодильной машине в отношении температур теплоносителей.

При создании холодильной машины, предназначенных для эксплуатации в различных географических районах, целесообразно ориентироваться на климатические условия для районов наибольшего применения либо на средневзвешенные условия (среднестатистические) с учетом распределения применения машин по районам. Могут потребоваться расчеты с вариантами температуры окружающей среды. Сопоставление результатов расчетов даст материал для окончательного выбора.

Выбор тарифов на электроэнергию, установленную мощность, воду и т. п. (третья группа параметров) вызывает те же трудности. Это связано с тем, что тарифы неодинаковы в различных географических и административных районах. Здесь также необходимо ориентироваться на районы наибольшего применения либо среднестатистические значения для холодильной системы определенного класса, типа и назначения.

Коэффициент реновации Р регламентируют ведомства, где применяют оборудование. Связь между коэффициентом реновации и сроком службы оборудования Т характеризуется зависимостью Р = 1/Т. Часто эти нормы находятся в противоречии с действительными сроками эксплуатации машин, которые определяются качеством последних. Таким образом, назначение коэффициента Р также характеризуется некоторой неопределенностью, требующей в отдельных случаях вариантных расчетов.

Параметры, характеризующие затраты на обслуживание и ремонт, находятся в прямой связи с показателями качества машин. Практикуемое иногда определение ремонтных затрат в зависимости от стоимости оборудования является совершенно необоснованным. Определение строгой и достоверной связи затрат на обслуживание и ремонт с соответствующими показателями качества является специальным вопросом. Это же относится и к затратам на сооружение фундаментов, транспортировку и монтаж оборудования.

Годовая продолжительность работы τ для холодильных систем различных типов и назначения является статистической величиной. Она достаточно стабильна для машин определенного класса (типа) и назначения.

5.2.   Система критериев эффективности

Рассмотренные параметры в принципе полностью характеризуют холодильную систему. Однако они в своем большинстве (за исключением рабочих коэффициентов компрессоров и тарифов) имеют абсолютное выражение, непригодное для анализа и сопоставления эффективности.