Проектирование парового компрессионного холодильника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описание конструкции бытового холодильника

2. Расчет теплопритоков в шкаф бытового холодильника

3. Тепловой расчет холодильной машины

4. Расчет поршневого компрессора

5. Расчет теплообменных аппаратов

6. Расчет капиллярной трубки



Введение

холодильник бытовой теплообменный компрессор

В бывшем СССР первые образцы (10 шт.) бытового холодильника ХТЗ-120 были изготовлены в 1937 г. на Харьковском тракторном заводе (ХТЗ).

Полезный объем холодильников ХТЗ-120 составлял 120 л. Холодильник ХТЗ-120 был оснащен герметичным компрессором холодопроизводительностью около 116 Вт, потребляемой мощностью до 200 Вт. Расход электроэнергии не превышал 60 кВт•ч в месяц. Хладагентом служил сернистый ангидрид (SO₂). Наиболее низкая температура на средней полке была -3 °С, а в испарителе - до -20 °С. В испаритель можно было устанавливать формочку для льда. Внутренний объем холодильника освещался электролампочкой, автоматически включающейся при открывании двери. Габаритные размеры шкафа 1425х615х590 мм, холодильной камеры - 755х455х380 мм. Изоляция толщиной 80 мм была выполнена из древесного войлока.

Организация на ХТЗ нового сложного производства заняла около двух лет. Лишь в 1939 г. начался серийный выпуск бытовых холодильников ХТЗ-120. В 1940 г. их было изготовлено уже 3500. Дальнейшее развитие производства было прервано начавшейся Великой Отечественной войной.

Массовое производство современных компрессионных бытовых холодильников на фреоне (R12) было организовано на Московском автозаводе (ныне ЗИЛ) в 1949…1951 гг. Первый холодильник этого завода «ЗИС-Москва» модель ДХ-2 имел полезный объем охлаждаемой камеры 165 дм³.

Холодильники меньшего размера - «Саратов-2» полезным объемом 85 дм³ - с 1951 г. стал выпускать также Саратовский завод. В 1963 г. вступил в строй один из ведущих заводов бытовых холодильников - Минский.

Главная тенденция развития бытовых холодильников, определяемая спросом населения, - увеличение их полезного объема. Если в 1968 г. только 6,3 % проданных холодильников имели объем 200 дм³ и более, то в 1988 г. их доля возросла до 68%.

Другая тенденция в производстве бытовых холодильников - увеличение объема отделения, предназначенного для хранения замороженных продуктов, и понижение температуры воздуха в нем с -10…-12 до -18…-24 °С.

С 1980 по 1988 г. выпуск двух- и трехкамерных холодильников увеличился в 17,5 раза - со 143 тыс. до 2500 тыс.

В 1990 г. в бывшем СССР в эксплуатации находилось свыше 71 млн. бытовых холодильников и морозильников. Обеспеченность городского населения достигла 101 на 100 семей (в 1970 г. - 43), а сельского - 81 (в 1970 г. - 13).

Выпускаемые холодильники (одно- и двухкамерные) и морозильники представляют широкую гамму оборудования полезным объемом 120…350 дм³, в том числе с объемом морозильного отделения 20…125 дм³. Морозильники сундучного типа имеют полезный объем 94…300 дм³.

В настоящее время бытовые холодильники и морозильники зарубежных фирм, так и отечественных заводов все больше оснащаются элементами комфортности. Это:

1) Прозрачность полки из высокопрочного стекла или пластика с возможностью перестановки по высоте, предохраняющие от протекания жидкого продукта вниз при неосторожном проливании;

2) Отделения в холодильных камерах и отдельные камеры с прозрачными дверками, прозрачные выдвижные секции или емкости для хранения в охлажденном (но незамороженном) состоянии при нулевых температурах парного мяса, свежей рыбы и других продуктов;

3) Отделения замораживания с прозрачными дверками в морозильных камерах;

4) Дезодораторы для устранения неприятных запахов, включаемые автономной кнопкой на наружном пульте управления;

5) Аккумуляторы холода в виде лотков-подносов для сохранения низких температур в морозильной камере при неработающем компрессоре, стабилизации температурного режима при его цикличной работе, а также для быстрого замораживания ягод и охлаждения напитков.

Исходные данные

1- Объем холодильной камеры: V_х.к.= 200 л,

2- Температура морозильной камеры: t_м.к.= -18 °C.

3- Хладагент, используемый в холодильнике: R-12.

Аналог холодильника: Свияга 106.



1. Описание конструкции бытового холодильника

Рис. 1 - Бытовой холодильник: 4, - решетчатые полки; 21 - фильтр-осушитель; 22 - прокладка; 23 - конденсатор; 24 - задняя стенка; 25 - задний упор; 26 - винт крепления конденсатора; 27 - болт; 28 - ванночка для сбора и испарения талой воды; 29 - герметичный компрессор; 30 - клеммная колодка; 31 - пускозащитное реле

2. Расчет теплопритоков в шкаф бытового холодильника

Проводим расчет теплопередающих поверхностей морозильного шкафа:

Внешние размеры: 540Ч600Ч670

Толщина панелей: толщина двери 30 мм;

толщина потолка и пола 40 мм;

толщина задней стенки 40 мм.

Определим высоту холодильника H:

, м

V_м.к.- объем морозильной камеры

Найдем ширину и глубину с изоляцией:

ширина =600 (мм)=0,6 м;

глубина =620 (мм)=0,62 м.

Вычислим площадь основания:

S_{основания}= ширина глубина =0,6*0,62=0,372 м²

Высота холодильника:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определяем площади теплопередающих поверхностей холодильного шкафа:

а) боковых стенок (2 шт):

F_{бок. стенок}= глубина 0,6200,54=0,335 м²;

б) дна:

F_дна=ширина глубина=0,60,620=0,372 м²;



в) потолка:

F_потолк= ширина глубина=0,60,620=0,372 м²;

г) задняя стенка:

F_{зад. стенка.} = ширина h =0,6 0,54=0,324 м²;

д) дверь:

F_двери. = ширина h =0,6 0,324 м².

Холодильная камера.

Расчет перепадов температур:

температура окружающей среды: t_о.с.= 32 °C;

температура окружающей среды для задней стенки: t_о.с.= 45 °C;

температура морозильной камеры: t_м.к..= -18 °C;

Дt_м= t_о.с.- t_м.к..= 32-(-18) = 50 °C

Дt_{зад.стенки} = t_о.с.- t_м.к..=45-(-18)=63 °C

Определяем коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций холодильника:

;

_в - коэффициент теплоотдачи охлаждаемой среды к внутренней поверхности;

_н - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности к окружающей среде.

б_вг=1,7 Вт/(м²*К) - от внутренней стенки к горизонтальному участку;

б_вв=2,1 Вт/(м²*К) - от внутренней стенки к вертикальному участку;

б_нг=6 Вт/(м²*К) - от наружной стенки к горизонтальному участку;

б_нв=10 Вт/(м²*К) - от наружной стенки к вертикальному участку.

д₁ - толщина внутреннего короба;

л₁ - коэффициент внутреннего короба;

д₂ - толщина наружного короба;

л₂ - коэффициент наружного короба;

д_из - толщина изоляции;

л_из - коэффициент теплопроводности изоляции.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принимаем:

- внутренний короб выполненный из полистирола:

д₁=0,004 м.; л₁=0,085 Вт/(мК).

- наружный короб выполненный из стали: д₂=0,001 м.; л₂=50 Вт/(мК).

- в качестве изоляции используется пенополиутан: л_из=0,025 Вт/(мК); д_из - толщина изоляции .

Вычисляем коэффициент теплопередачи:

а) боковой стенки:

б) дна:

в) потолок:

г) задняя стенка:

д) двери:

Проверка поверхностей на условия конденсации:

Считая что относительная влажность 80% по диаграмме Малье определяем температуру точки расы:

- Для температуры окружающей среды t_о.с.=32 °C для всех поверхностей, кроме задней стенки точка росы соответствует температуре t_р=28 °C.

- Для задней стенки температура окружающей среды t_р=41 °C.

Чтобы на поверхности морозильника не конденсировалась влага во всех случаях должно выполнятся условие k_i<0,95• k_max , в противном случаи необходимо изменить толщину изоляции.

Вычисляем:

а) боковая стенка:

;

k_i = 0,45 < 0,95 0,8 = 0,76 - условие выполняется.

б) дно:

;

k_i = 0,415 < 0,95 0,48 = 0,456 - условие выполняется.

в) потолок:

;



k_i = 0,452 < 0,95 0,48 = 0,456 - условие выполняется.

г) задняя стенка:

;

k_i = 0,412 < 0,95 0,8 = 0,76 - условие выполняется.

д) дверь:

;

k_i = 0,548 < 0,95 0,8 = 0,76 - условие выполняется.

Во всех случаях условия выполняются следовательно толщину изоляции оставляем прежней.

Теплопритоки через элементы ограждения холодильника:

.

а) боковая стенка:

.

б) дно:

.

в) потолок:

.

г) задняя стенка:

.

д) дверь:

.

.

Определяем теплопритоки от термической обработки продуктов:

При максимальном коэффициенте эксплуатации морозильная камера заполняется на 50%.

.

По таблице удельных энтальпий продуктов определяем:

i_к - энтальпия при t_м.к.= -18 i_к=4,6

i_к - энтальпия при t_о.с..=32°С i_н=329

.

Определяем теплопритоки при открывании двери:

.

n - кратность воздухообмена в течение суток (5ч10);

V - внутренний объем холодильника;

с - плотность воздуха

.

.

Теплопритоки от электроприборов:

.



ф - время открывания [c]

Общий теплоприток:

.

.

3. Тепловой расчет холодильной машины

В данном холодильнике рабочим фреоном является фреон R12

Принимается в холодильниках с естественной циркуляцией:

t₀=t_м.к.-(8ч15) °С - температура кипения фреона;

t₀= -18-12 = -30 °С;

t_к=t_о.с..+(10ч20) °С - температура конденсации фреона;

t_к=32+15=47 °С.

По t₀ и t_к определяем давление кипения p₀ и давление конденсации p_к:

.

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3.1. Схема холодильника (по ГОСТу): М-К - мотор-компрессор; КД - конденсатор; ФО - фильтр-осушитель; ТО - теплообменник; РВ - регулирующий вентиль (капиллярная трубка); И - испаритель.



Рис. 3.2.1. Цикл работы холодильной машины

Строим рабочий цикл холодильной машины с учетом следующего:

Процесс 1-1' - подогрев паров хладагента в мотор - компрессоре.

Процесс 1'-2 - сжатие хладагента в мотор - компрессоре.

Процесс 2-3 - конденсация паров хладагента в конденсаторе.

Процесс 3-4 - переохлаждение конденсата в промежуточном теплообменнике

Процесс 4-5 - дросселирование в регулирующем вентиляторе (в капилярке).

Процесс 5-а - испарение хладагента в испарителе.

Процесс а-1 - перегрев паров хладагента в промежуточном теплообменнике.

Проводим линию постоянного давления и постоянные температуры и линию постоянного давления и постоянные температуры .

Точка а находится на пересечении правой пограничной кривой и линии постоянного давления и линии постоянной температуры .

Точка 3 на пересечении левой пограничной кривой и линии постоянного давления и постоянной температуры .

Зная температуру т.4 (см. п. 3.3) и давления в ней (= давлению в конденсаторе) проводим изоэнтальпу 4-5 до пересечения с линией постоянного давления и постоянной температуры .

Процесс 3-4 идет при постоянном давлении .

Процесс а-1 идет при постоянном давлении т.1 находится на пересечении изобары и изотермы

т. 1?- на пересечении изобары и изотермы .

т. 2 - находится на пересечении адиабаты проведенной из точки 1? и изобары .

Процесс 2-3 совпадает с изобарой .

Цикл на диаграмме см. прил. 1.

В действительности на всасывающих и нагнетательных клапанах компрессора часть давления теряется, поэтому:

МПа, - давления всасывания,

где д_вс=0,03…0,05 - относительная потеря давления на всасывающих клапанах.

МПа,- давления дагнетания,

где д_наг=0,03…0,06 - относительная потеря давления на нагнетательных клапанах.

.

.

Определение положения точки 4

Для определения положения т.4 используем уравнение теплового баланса:

.

- коэффициент, учитывающий долю регенерации в процессе перегрева [2 стр 381].

.

Заполняем таблицу основных параметров рабочих точек цикла:



Табл.3.93.1. Основные параметры рабочих точек цикла

№ точки	P, МПа	t, °С	, кДж/кг	х, м3/кг
а	0,105	-30	338,0	0,16
1	0,105	32	375,0	0,18
1'	0,105	40	380,0	0,18
2	1,1	135	437	-
3	1,1	47	245,0	0,0010
4	1,1	2	226,5	0,0010
5	0,105	-30	226,5	0,035

Расчет холодильного коэффициента цикла:

1. Удельная массовая холодопроизводительность:

.

2. Удельная объемная холодопроизводительность:

.

3. Удельная теплота, отводимая от конденсатора:

.

4. Удельная изоэнтропная работа цикла:

.



5. Массовый расход рабочего тела в ХМ:

.

6. Теплота, отводимая от конденсатора:

.

7. Изоэнтропная мощность компрессора:

.

8. Холодильный коэффициент цикла:

.

4. Тепловой расчет холодильного компрессора

Объемный расход ХА в компрессоре

.

Расчет коэффициента подачи л

.



- объемный коэффициент

.

- политропа расширения параметров, принимаем

- относительный мертвый объем, принимаем

- коэффициент дросселирования, принимаем

- коэффициент подогрева

.

- коэффициент плотности, принимаем

Теоретическая объемная производительность компрессора

.

По величине объемной производительности подбирается модель холодильного компрессора [Л4]. Выбираем модель ХКВ8-1МЛТ УХЛ с .

Проверка пригодности выбранного компрессора:



.

.

.

.

.

- частота вращения

- диаметр поршня

- ход поршня

- средняя скорость поршня

Энергетические потери и мощность компрессора

Индикаторная мощность - мощность, затраченная на сжатие паров в действительном компрессоре:

.

- индикаторный КПД для малых холодильных компрессоров, принимаем

Мощность на преодоление сил трения:

.

- удельное давление трения, принимаем

Мощность на валу компрессора:



.

Механический КПД - учитывает потери, связанный с трением:

.

Эффективный КПД:

.

Мощность, потребляемая электродвигателем из сети:

.

- КПД электродвигателя, принимаем

Электрический КПД:

.

При сравнении технических характеристик компрессоров используют эффективный холодильный коэффициент и общий (электрический) холодильный коэффициент .

.



5. Расчет теплообменных аппаратов

Расчет теплообменных аппаратов производится на основе известной нагрузки Q₀ и Q_к.

Определение средней логарифмической разности температур. Коэффициент теплоотдачи

Определение средней логарифмической разности температур между воздухом и хладагентом:

.

.

Коэффициент теплоотдачи от воздуха к хладагенту:

- коэффициент теплоотдачи для конденсатора, принимаем

- коэффициент теплоотдачи для испарителя, принимаем

Площадь теплообменных поверхностей:

Расчетная площадь конденсатора:

.

Средний логарифмический перепад температур:

.



Вычислим действительную площадь конденсатора:

.

Действительная площадь конденсатора:

F^д _к.д.=F_тр.+F_пр.= 0,107+1,48 = 1,59 м²

Площадь трубок:

F_тр.= р*d*l_т.*n = 3,14*0,006*0,38*15 = 0,107 м²,

где: n - количество трубок =15 шт.

Площадь прутков:

F_пр.= р*d_пр.*l_пр.*n' = 3,14*0,0015*0,55*570 = 1,48 м²,

где: n' - количество прутков = 570 мм.

Так как , поэтому расчет конденсатора произведен верно.

Расчет и подбор испарителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

.

.

Средний логарифмический перепад температур:

.

Площадь испарителя:

.

- коэффициент теплоотдачи для испарителя, принимаем



6. Расчет капиллярной трубки

Обычно это медная трубка: d_внутр=0,7…1,0 мм, принимаем d_внутр=0,8 мм.

При заданном внутреннем диаметре вычисляем длину капиллярной трубки:

.

µ - динамическая вязкость ХА. (Па·с).

При t = 32^оC м - динамическая вязкость хладагента, определяется по [В. Мааке, Жан-Луи Кошпен - «Польманн: Учебник по холодильной технике].

.

Размещено на Allbest.ru