- •Конспект лекций
- •"Холодильное оборудование"
- •7.090221
- •Введение
- •Лекция 1. Области применения и физические принципы получения низких температур
- •1.1. Области применения искусственного холода
- •1.2. Физические принципы получения низких температур
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Литература: [1, с. 5...31; 2, 7] Лекция 2.Термодинамические основы искусственного охлаждения
- •2.1. Принцип работы холодильной машины
- •2.2. Рабочие вещества холодильных машин
- •2.2.1. Требования, предъявляемые к холодильным агентам
- •2.2.2. Классификация, свойства и области применения холодильных агентов
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Литература: [1, с. 32...45; 2, с. 6...35] Лекция 3. Циклы и схемы компрессорных холодильных машин
- •3.1. Циклы и схемы газовых холодильных машин
- •3.2. Циклы и схемы паровых компрессорных одноступенчатых холодильных машин
- •3.2.1. Цикл в области влажного пара с детандером
- •Замена детандера дроссельным вентилем
- •Сжатие в области перегретого пара
- •3.2.2. Принципиальная схема и цикл аммиачной холодильной машины с отделителем жидкости
- •3.2.3. Принципиальная схема и цикл фреоновой холодильной машины с регенеративным теплообменником
- •3.3. Циклы и схемы холодильных машин с многоступенчатым сжатием
- •3.3.1. Циклы и схемы двухступенчатых холодильных машин
- •Низкотемпературная холодильная машина на базе винтового компрессора
- •3.4. Принципиальная схема и цикл двухкаскадной холодильной машины
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Литература: [1, с. 52...96; 2, с. 35...50] Лекция 4.Компрессоры холодильных машин
- •4.1. Классификация и маркировка компрессоров
- •4.2. Объемные и энергетические потери в компрессоре
- •4.3. Холодопроизводительность компрессора
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Литература: [1, с. 97; 2, с. 90...162] Лекция 5.Теплообменные аппараты холодильных машин
- •5.1. Конденсаторы
- •5.1.1. Тепловой расчет и подбор конденсаторов
- •5.2. Испарители
- •5.2.1. Расчет и подбор испарителей
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Литература: [1, с. 281...343; 2, с. 166...207] Лекция 6.Вспомогательное оборудование холодильных машин
- •6.1. Аммиачные холодильные машины
- •6.2. Фреоновые холодильные машины
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Литература: [2, с. 221...236; 4, с. 130...137] Лекция 7. Кип и автоматика холодильных машин
- •7.1. Классификация и маркировка холодильных машин и агрегатов
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Литература: [1, c. 470...490; c. 256...271] Лекция 8.Теплоиспользующие холодильные машины
- •8.1. Пароэжекторные холодильные машины (пэхм)
- •8.2. Абсорбционные холодильные машины (ахм)
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Литература: [1, с. 387...420, 2; с. 282...299] Лекция 9. Холодильники. Классификация, устройство и планировки
- •9.1. Устройство и планировки холодильников
- •9.2. Тепло- и гидроизоляция холодильников
- •Телоизоляционные материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература: [2, с. 320-359; 3, с. 168-182, с. 207-214]. Лекция 10. Основы проектирования холодильников
- •10.1. Определение строительной площади холодильника и выбор его планировки
- •10.2. Расчет теплопритоков в камеры холодильника
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература: [2, с. 415-431; 3, с. 250-264]. Лекция 11. Системы охлаждения холодильников (сох)
- •11.1. Безнасосные системы с непосредственным кипением холодильного агента
- •11.2. Насосно-циркуляционные системы охлаждения
- •11.3. Системы с промежуточным хладоносителем (рассольные сох)
- •11.4. Камерные приборы охлаждения, их конструкции и методика подбора
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература: [2, с. 393-415; 3, с. 33-55]. Лекция 12. Оборудование для охлаждения пищевых продуктов
- •12.1. Камеры охлаждения
- •12.2. Оборудование для охлаждения рыбы и жидких пищевых продуктов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература: [5, с. 83-85; 6, с. 19-60]. Лекция 13. Технологическое оборудование для замораживания в воздухе
- •13.1. Классификация и устройство камерных морозилок
- •13.2. Воздушные морозильные аппараты
- •13.2.1. Морозильные аппараты тележечного типа
- •13.2.2. Конвейерные морозильные аппараты
- •13.2.3. Флюидизационные морозильные аппараты
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература: [6, с. 92]
- •Лекция 14. Современные аппараты интенсивного замораживания
- •14.1. Аппараты бесконтактного замораживания Плиточные аппараты
- •Роторные аппараты
- •Морозильные аппараты барабанного типа
- •14.2. Аппараты контактного замораживания пищевых продуктов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Двухступенчатые, r22
- •Компрессоры российского производства
- •Поршневые компрессоры фирмы «Йорк Рефрижерейшн»
- •Винтовые компрессоры фирмы «грассо Рефрижерейшн»
- •Технические параметры среднетемпературных агрегатов на базе полугерметичных поршневых компрессоров Bitzer (Данные для хлаДона r404а)
- •Приложение в Конденсаторы холодильных машин
- •1. Горизонтальные кожухотрубные
- •2. Вертикальные кожухотрубные
- •3. Испарительные
- •Приложение г Перечень тем самостоятельных работ студентов
- •Приложение д тесты
- •Литература
- •Содержание
Вопросы для самоконтроля:
1. Объясните, с какой целью на шкале мановакууметров указывается название холодильного агента?
2. Классификация средств автоматизации холодильных машин.
3. Перечислите и укажите место в схемах известных Вам приборов автоматической защиты.
4. Перечислите известные Вам приборы автоматического управления.
5. Принцип действия и место в схеме ТРВ.
6. Перечислите типы выпускаемых промышленностью холодильных агрегатов.
7. Что представляет собой компрессорный агрегат? Принцип его маркировки.
8. Расшифруйте марки холодильных агрегатов АКФУ 25-2-2; А 175-7-5; МВТД 40-2-3.
Литература: [1, c. 470...490; c. 256...271] Лекция 8.Теплоиспользующие холодильные машины
Существует отдельный класс холодильных машин, в которых для получения искусственного холода используется тепловая энергия. По этой причине они получили название теплоиспользующих. К ним относятся пароэжекторные и абсорбционные холодильные машины.
Термодинамическая эффективность теплоиспользующих холодильных машин характеризуется тепловым коэффициентом, который представляет собой отношение полученной холодопроизводительности (полезный эффект) к тепловой мощности используемого источника энергии.
Эффективность использования теплоиспользующих холодильных машин зависит от стоимости теплоты греющих источников, требуемой температуры охлаждения и практически всегда является высокой при использовании вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), а также в установках для одновременной выработки тепла и холода (в них часто удаётся теплоту, отводимую холодному источнику в прямом цикле, использовать как греющий источник в теплоиспользующей холодильной машины).
8.1. Пароэжекторные холодильные машины (пэхм)
Рабочим телом для таких машин могут служить некоторые фреоны и их смеси, аммиак и другие вещества, отвечающие требованиям, предъявляемым к холодильным агентам. Но чаще всего в промышленных условиях такие холодильные машины работают на воде для нужд кондиционирования воздуха. При этом для достижения необходимых температур кипения воды (7...15 С) в испарителях таких машин приходится поддерживать очень низкое давление насыщения водяных паров (0,005...0,010 бар).
Практически реализовать такие условия удаётся в цикле вакуум-водяной ПЭХМ на базе пароструйного компрессора (эжектора). Принципиальная схема и цикл такой машины представлены на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Принципиальная схема вакуум-водяной пароэжекторной холодильной машины и её теоретический цикл
Активный пар состояния 1, образовавшийся в генераторе Гпри подводе теплоты в прямом цикле, поступает в эжекторЭ. Проходя через сопло (суживающуюся часть) эжектора, он расширяется и изменяет свое состояние на 2. В сопле потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию струи, которая, вытекая с большой скоростью, эжектирует пассивный пар состояния 9 из испарителяИ. После смешения пара состояний 2 и 9 в камере смешения эжектора получается пар состояния 3, который, проходя диффузор эжектора, сжимается в нём (3–4) и поступает в конденсаторКнв состоянии 4. В конденсаторе пар конденсируется (процесс 4–5), отдавая теплоту окружающей среде (воде). Часть конденсата состояния 5 в количестве, равном массовой подаче пассивного пара, поступает через дроссельный вентильДВв испаритель (процесс 5–8), где кипит (процесс 8–9), отводя теплоту от промежуточного хладоносителя (воды), а влажный пар состояния 9 отводится в камеру смешения диффузора. Другая часть конденсата в количестве, равном массовой подаче активного пара, нагнетается насосомНв генератор (процесс 5–6), нагревается (процесс 6–7), выпаривается (процесс 7–1) и насыщенный пар (точка 1) направляется в эжекторЭ. Далее процессы в ПЭХМ повторяются.
Из рассмотренного выше следует, что в эжекторе соединяются процессы прямого и обратного циклов: работа прямого цикла получается в сопле (процесс 1–2), подводится к обратному циклу в камере смешения (процесс 2–3–9) и тратится в обратном цикле в диффузоре на сжатие (процесс 3–4). В пароэжекторной холодильной машине осуществляются прямой 1–11–5–6–7–1 и обратный 9– 10–5–8–9 циклы.
Для термодинамического анализа работы ПЭХМ необходимо знать соотношение массовых расходов активного Ми пассивногоМ0пара. Принимая, что для отвода 1 кг пассивного пара из испарителя расходуетсятактивного пара, получим коэффициент расхода (кратность циркуляции) активного пара
. (8.1)
Считая, что работа прямого цикла
без потерь подводится в обратном цикле
,
и, принимая во внимание, что M l = M0 l0, получим
.(8.2)
Тепловой баланс пароэжекторной холодильной машины в удельных величинах будет иметь вид
, (8.3)
где q = (1 + m) (i4 – i5) – отведенная теплота в конденсаторе;
q0 = i9 – i8– удельная массовая холодопроизводительность;
qг = m (i1 – i6) – подведенная теплота в генераторе;
qн = m (i6 – i5) – тепловой эквивалент работы насоса.
Термический кпд прямого цикла:
. (8.4)
Холодильный коэффициент обратного цикла:
. (8.5)
Термодинамическая эффективность работы машины может быть оценена тепловым коэффициентом, равным отношению теплоты, отведенной в обратном цикле, к теплоте, подведенной в прямом цикле:
, (8.6)
т.е. тепловой коэффициент цикла ПЭХМ равен произведению величин термического КПД прямого цикла и холодильного коэффициента обратного цикла.
Основным элементом рассмотренной схемы несомненно является пароструйный компрессор (эжектор) Э– удивительно простое, но малоэффективное устройство. Процессы смешивания потоков пара также, как и процессы трения струи о металлическую поверхность в эжекторе, сопровождаются существенными необратимыми потерями в потоке. По этой причине коэффициент полезного действия эжектора невысок. Основными элементами аппарата (рис. 8.2) являются приемная камера 1, сопло 2, камера смешения 3–4 и диффузор 5.
Рис. 8.2. Принципиальная схема пароструйного компрессора
|
Поступающий к соплу активный пар имеет скорость W. В сопле пар расширяется, при этом скорость пара в выходном сечении сопла возрастает отWдоW1(скоростьW1для водяного пара обычно свыше 1000 м/с). Холодный (пассивный) пар при незначительной по сравнению со скоростью рабочего пара скоростиWoувлекается последним из приемной камеры в камеру смешения, где оба потока смешиваются. К смешивающимся потокам можно применить закон сохранения количества движения – сумма количества движения смешиваемых потоков активного и холодного паров на входе равна количеству движения потока смеси в конце процесса смешивания.
К недостаткам рассмотренного цикла ПЭХМ, работающей на воде, следует отнести:
– низкую термодинамическую эффективность;
– наличие вакуума в аппаратах и, как следствие, – огромные их размеры и проблемы с герметизацией при эксплуатации;
– невозможность получения в испарителе температур, ниже 0 С.
Над устранением этих недостатков работали многие ученые, в том числе и учёные кафедры ТХТ ОНАПТ.
Так, профессор О.Г. Бурдо с сотрудниками получили патент на биагентную ПЭХМ, которая частично избавлена от двух из трёх перечисленных недостатков, указанных выше. Заправив ПЭХМ бинарной смесью воды и этилового спирта, авторы реализовали идею двойной конденсации агента в ПЭХМ (рис. 8.3).
К1 К2 К
Рис. 8.3. Принципиальная схема биагентной ПЭХМ с двойной конденсацией агента
Схема работает аналогично предыдущей с той лишь разницей, что в конденсатор К1поступает не чистый водяной пар, а его смесь с более летучими парами этилового спирта. Соприкасаясь с холодными трубками конденсатораК1, первыми будут конденсироваться пары воды, а оставшиеся пары этилового спирта уйдут в конденсаторК2и сконденсируются там при более низкой температуре (но при том же давлении !).
Далее менее летучая вода из конденсатора К1насосомНбудет подана в генератор для производства активного потока водяного пара, а конденсат из конденсатораК2(преимущественно этиловый спирт!), после дросселирования вРВ1, попадёт в испарительИ, где будет кипеть, вырабатывая холод при той же низкой температуреt0, но при гораздо большем давлении, например, приt0= плюс 10С давление в испарителе при кипении воды будет 0,0087 кПа, а при кипении этилового спирта – уже 0,03 кПа.
Естественно, что соответственно уменьшится удельный объём пара и, как следствие, – габаритные размеры испарителя. Кроме того, в такой ПЭХМ можно получать и отрицательные температуры в испарителе (например, этиловый спирт будет кипеть при t0минус 3С, если поддерживать давление в испарителе0,013 кПа).
Важно отметить, что в рассматриваемых схемах ПЭХМ электрическая энергия используется только в незначительных количествах для привода насоса Н. Если бы не этот момент, то ПЭХМ получили бы по сравнению с компрессорными холодильными машинами важное эксплуатационное преимущество – независимость от стационарного электроснабжения.
Упомянутая выше группа учёных кафедры ТХТ ОНАПТ и в этом вопросе сказала своё весомое слово: ими было запатентовано несколько технических решений по созданию автономных схем ПЭХМ. Было предложено использовать капиллярные, мембранные, струйные, термопрессоры и другие устройства для обеспечения постоянной подачи конденсата в генератор ПЭХМ, не используя при этом электрической энергии.
Особый интерес представляет схема ПЭХМ с использованием струйного насоса для подачи конденсата в генератор установки (рис. 8.4).
СН
Рис. 8.4. Принципиальная схема ПЭХМ со струйным насосом
Здесь часть пара, полученного в генераторе Г, отбирается на привод струйного насосаСН. Однако эта часть, как правило, невелика, поскольку работа насоса всегда существенно меньше работы компрессора.
Такая конструкция не содержит движущихся элементов и по этой причине обладает повышенной надёжностью и долговечностью. Вероятно, благодаря этим качествам ПЭХМ со струйным насосом использовалась конструкторами при разработке космического комплекса “Мир”. В этих разработках принимали участие и учёные ОНАПТ.