Техническое проектирование кондиционера К-25 СМ

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 _в1 = 40 %

- температура воды на входе t_w1 = 30 С

- расход воды 11 м³/ч;

1 ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

1.1 Основные технические параметры

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

- температура воздуха на входе - 35 ⁰С;

- относительная влажность воздуха на входе - 40 %;

- температура воды - 30 ⁰С;

- 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

1.2 Условия и особенности эксплуатации кондиционера

Рабочая температура окружающего воздуха +5…+ 40 ⁰С, относительная влажность 20…70 %.

Примечание. При температурах от +5 ⁰С до +18 ⁰С кондиционер работает только в режиме вентиляции.

Рабочая температура воздуха на входе в кондиционер - от +18 ⁰С до +40 ⁰С.

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.

2 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.

3 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ КОНДИЦИОНЕРА

3.1 Определение исходных данных

3.1.1 Определение температуры конденсации

tк = 40 ⁰С (п. 5.5)

3.1.2 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 ⁰С.

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

3.2 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

4 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОРА

4.1 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 Gw, Gs; из технических параметров - теоретический объемный расход первой ступени Vт, площадь теплообменной поверхности аппаратов F, вместимость аппаратов по холодильному агенту х, из экономических параметров - масса оборудования Y, годовая продолжительность работы системы ф, стоимость (тариф) расходуемой электроэнергии оэ

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

4.2 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. Для этой цели необходимы удельные величины, которые позволяют сопоставлять между собой холодильные системы различных типов и классов при одинаковых внешних параметрах. Для формирования удельных характеристик целесообразно использовать в качестве делителей уже указанные классифицирующие параметры. В результате могут быть получены соответственно режимные (в том числе энергетические), технические и экономические (стоимостные) удельные параметры, каждый из которых, по существу, является частным критерием эффективности системы или ее части. Эти критерии являются основным средством пофакторного анализа эффективности холодильных систем и их элементов. В отдельных случаях некоторые из них, в зависимости от существующих ограничений или специальных требований, могут стать в ряд основных критериев, определяющих выбор параметров холодильных систем.

Для строгого оптимизационного расчета необходимо, чтобы одна общая целевая функция охватывала множество частных функций, влияющих на эффективность холодильных систем. Основные трудности в выборе общей целевой функции носят не математический, а теоретико-практический характер. Эта проблема не имеет в настоящее время однозначного решения. С позиции общества в целом в качестве критерия оптимизации следовало бы принять совокупность общественно необходимых затрат на разработку, производство (включая его подготовку), эксплуатацию данной холодильной системы за все время ее «жизни» с момента начала разработки до момента снятия с эксплуатации последнего образца. Такой подход возможен по теории функционально-стоимостного анализа. В настоящее время оптимизация технических систем с помощью такого наиболее общего критерия может быть выполнена только на уровне экспертных оценок. Реализация этого подхода на основе достаточно точных количественных соотношений наталкивается на весьма большие трудности. В связи с этим наиболее широкое применение находит технико-экономическая оптимизация, в рамках которой в качестве критерия эффективности используют приведенные затраты. В области холодильного машиностроения наиболее часто возникает необходимость оптимизировать холодильные системы многоцелевого назначения, для которых точные условия работы и некоторые другие факторы (тарифы на электроэнергию, воду и др.) не могут быть заранее предусмотрены. В этих условиях теряет свое превалирующее значение заданная холодопроизводительность. Ее следует считать заданной условно, и точное соблюдение ее значения (в процессе оптимизации) не должно являться обязательным. Переменная холодопроизводительность требует в качестве критерия оптимизации использовать не абсолютные, а удельные приведенные затраты, отнесенные к выработанному в течение года холоду. Полные приведенные удельные затраты, а не их переменная часть к тому же являются более совершенным показателем, так как только они позволяют сопоставлять эффективность разных холодильных систем между собой, что имеет первостепенное значение для определения их оптимального состава.

Таким образом, при данной постановке задачи наиболее целесообразно использовать комбинированный экономический критерий - удельные приведенные затраты (стоимость выработки холода). Однако при всех достоинствах этого критерия и он не может быть принят в качестве единственного. Самостоятельное значение имеет целый ряд удельных физических критериев, характеризующих совершенство конструкций с учетом расхода энергии, материалов, трудоемкости обслуживания и многие другие. Поэтому для целей оптимизации холодильных систем разработана система взаимосвязанных критериев эффективности, которая позволяет при соответствующем анализе принять решение о выборе параметров, удовлетворяющих ряду требований и ограничений.

В соответствии с принятой в машиностроении методикой стоимостное выражение энергетических, материальных и трудовых затрат определяется как суммарные расчетные затраты. Эти затраты, рассчитываемые как годовые, в общем виде представляют собой

З = С + ЕнК,

где С - себестоимость продукции;

ЕнК - приведенные к году капитальные вложения (К);

Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.

Применительно к рассматриваемому случаю величина С представляет собой годовые текущие эксплуатационные затраты на выработку холода с помощью данной холодильной системы. Капитальные затраты К в основном определяются стоимостью оборудования.

В текущие эксплуатационные затраты С входят разнородные виды затрат, в том числе зависящие от стоимости оборудования. Это затрудняет выявление влияния на три различных вида затрат.

Для удобства анализа целесообразно деление годовых приведенных затрат З на три группы: энергетические затраты, затраты на оборудование, затраты на обслуживание и ремонт. Такое деление классифицирует виды затрат в зависимости от природы факторов, их определяющих.

Энергетические затраты включают в себя взаимосвязанные затраты на электроэнергию, потребляемую компрессором, насосами (хладоносителя или воды), вентиляторными агрегатами (воздухоохладителя, конденсатора с воздушным охлаждением); на оплату установленной мощности всех электродвигателей и на охлаждающую воду.

Затраты на оборудование в сфере эксплуатации в значительной степени определяются затратами в сфере его производства. Они отражены в себестоимости оборудования и в соответствующей цене на него. Сравнительный анализ себестоимости оборудования (в том числе себестоимости элементов ХС или групп элементов) позволяет выявить влияние на нее таких показателей, как материалоемкость (с учетом ценности материалов), технологичность (и технологическая оснащенность производства), унификация с другими изделиями, насыщенность покупными изделиями и т. п.

Основной интерес представляет анализ затрат в сфере эксплуатации ХМ. Затраты в сфере производства входят в состав затрат в сфере эксплуатации в виде доли капитальных затрат и затрат на реновацию. В эту группу кроме того включают так называемые сопутствующие капитальные затраты: стоимость помещения и фундамента под оборудование, монтажа, транспортировки, эксплуатационных материалов (холодильный агент, масло и др.). Прямой расчет и сравнительный анализ этих показателей позволяют оценить влияние степени заводской готовности машин, габаритных размеров, общей массы оборудования.

Затраты на ремонт зависят от технического уровня конструкции, качества изготовления, качества применяемых материалов, степени автоматизации и т. д.

Они определяются продолжительностью периодов между плановыми ремонтами, количеством отказов в течение года (статистическая величина), их трудоемкостью и сложностью, затратами на материалы и запасные части. Все эти величины количественно связаны с показателями надежности и долговечности оборудования.

Затраты на обслуживание зависят от мощности холодильной системы и степени автоматизации, которые определяют норму обслуживания (человек на одну машину). С уменьшением мощности и повышением степени автоматизации норма обслуживания снижается.

Следовательно, по охвату факторов, влияющих на эффективность холодильной системы, годовые приведенные затраты действительно отвечают требованиям интегрального критерия оптимизации (целевой функции). Однако в абсолютном выражении они не могут быть использованы из-за их несопоставимости для разных холодильных систем и даже для одной холодильной системы при разных исходных данных. Поэтому в качестве критерия оптимизации приняты удельные годовые приведенные затраты З0, т.е. абсолютные затраты З, отнесенные к выработанному системой за год холоду Qф. При сравнении показателей двух ХС с помощью удельных приведенных годовых затрат (или стоимости выработки холода) З0 = З/Qф учитывают разницу в «годовом объеме продукции». Годовой экономический эффект Эг при эксплуатации одной холодильной системы в сопоставлении с выбранным аналогом выразится следующим простым уравнением:

Эг = (З01 - З02)*Q2ф2,

где индексы 2 и 1 относятся соответственно к рассматриваемой холодильной системе и к выбранной для сравнения.

Для более широких обобщений оказалось целесообразным привести годовые приведенные затраты к безразмерному виду, вводя дополнительный делитель, выполняющий роль масштаба затрат, а именно тарифную стоимость электроэнергии оэ. Тогда величина

Z0 = З0/оэ = З/(Q ф оэ)

будет представлять собой отношение стоимости киловатт-часа выработанного холода к стоимости киловатт-часа электроэнергии.

Безразмерные затраты З0 могут выступать в роли основы для сравнения эффективности холодильных систем, работающих в одинаковых температурных режимах. При неполном совпадении температурных режимов работы холодильных систем такое сравнение (из-за различной «ценности» холода на разных уровнях) становится некорректным.

Величину З0, либо Z0 удобно разделить на три группы:

где Z0.1, Z0.2 и Z0.3 - соответственно затраты на энергию (включая стоимость воды), оборудование и обслуживание (включая ремонт).

Применительно к холодильной машине принято единое обозначение составляющих (слагаемых) безразмерных затрат по группам. Каждое слагаемое в общем случае состоит из трех удельных параметров (сомножителей) - технического, режимного и экономического. Например, слагаемое Z_0.2.3 (безразмерные затраты на испаритель) имеет сомножителями: - масса аппарата, отнесенная к 1 м² теплообменной поверхности - удельный технический параметр; - величина, обратная плотности теплового потока в аппарате - удельный режимный параметр; - стоимостный множитель; о_и - стоимость единицы массы (1 кг) аппарата. Такая структура слагаемых придает выражению большую аналитическую способность. Существенно также то, что принятая форма записи позволяет анализировать влияние стоимостных характеристик не по абсолютной величине, а по их соотношениям.

4.3 Оптимизационный расчет конденсатора с трубой ВНИИхолодмаш

Нормативный коэффициент эффективности капитальных затрат

Доля от затрат, ежегодно отчисляемая на амортизацию конденсатора и его ремонт



Теоретическая объемная производительность компрессора ХГВ-28,0-1

4.3.1 Определение температур конденсации

Тепловая нагрузка на конденсатор (п. 4.2)

Температура воды на входе в конденсатор

Расход воды на охлаждение конденсатора

Конденсатор кожухотрубный, горизонтальный, трубки 20Ч3 мм, оребренные

внутренний диаметр трубки

диаметр основания ребер

наружный диаметр ребер. Степень оребрения трубы

температура воды на выходе из конденсатора

4.3.2 Отношение давлений

Принятый коэффициент подачи

4.3.3 Тепловой поток конденсатора

где - энтальпия хладагента на входе в конденсатор

- удельный объем хладагента на входе в конденсатор

4.3.4 Мощность потребляемая компрессором

Изоэнтропная мощность

Индикаторная мощность

Мощность трения

4.3.5 Холодопроизводительность

4.3.6 Плотность теплового потока, отнесенная к внутренней поверхности, со стороны хладагента

Число Рейнольдса

число Прандтля

Число Нуссельта



суммарное термическое сопротивление

4.3.7 Плотность теплового потока со стороны воды

4.3.8 Площадь внутренней поверхности

4.3.9 Объемный расход воды

4.3.10 Число труб в одном ходе

Число труб, располагаемых по большей диагонали шестиугольника



4.3.11 Общее число труб в аппарате

4.3.12 Число ходов в аппарате

4.3.13 Длина одной трубы



4.3.14 Мощность, потребляемая насосом конденсатора

4.3.15 Расчет массы аппарата

Корпус конденсатора

а) Обечайка диаметр трубной решетки

толщина обечайки

плотность стали



длина трубы (обечайки)

б) масса оребренной медной трубы



по данным справочника ВНИИхолодмаш

в) масса трубной решетки

толщина трубной решетки

количество труб в конденсаторе

диаментр отверстий в решетке под трубы

г) масса бобышек

по данным справочника ВНИИхолодмаш

д) масса штруцеров

по данным справочника ВНИИхолодмаш

е) масса донышка

по данным справочника ВНИИхолодмаш

ж) масса трубки для отвода хладагента

по данным справочника ВНИИхолодмаш

з) масса косынок

по данным справочника ВНИИхолодмаш

и) масса остальных частей

Конденсатор

а) масса крышки (чугун)

по данным справочника ВНИИхолодмаш

б) масса пробок

по данным справочника ВНИИхолодмаш

в) масса накидных гаек

по данным справочника ВНИИхолодмаш

г) масса прокладок (паронит)

по данным справочника ВНИИхолодмаш

д) масса ниппеля

 по данным справочника ВНИИхолодмаш

е) удельная масса конденсатора

Стоимость электроэнергии

среднегодовая наработка холодильной машины

4.3.16 Расчет целевой функции

Расчет стоимостной характеристики конденсатора

а) стоимостная характеристика медных труб

средняя стоимость медных накатанных труб на 2005 - 2007 год, по данным ВНИИхолодмаш

б) стоимостная характеристика стальных элементов конденсатора

средняя стоимостная характеристика стальных элементов на 2005 год

в) стоимостная характеристика чугунных литых крышек

 средняя стоимостная характеристика чугуна на 2003 год

Поправочный стоимостной коэффициент на литье

на заводе в Покрове

Стоимость конденсатора

Стоимость воздухоохладителя



Стоимость компрессора

Удельная стоимость компрессора по данным Минского оптико-механического завода

масса компрессора

Стоимость воды на охлаждение конденсатора

стоимостная характеристика воды

Затраты на энергию, потребляемую компрессором

Затраты на энергию, потребляемую вентиляторным агрегатом

Потребляемая электрическая мощность

Производительность по воздуху

Затраты на перекачку воды



Затраты на холодильный агент R22 и холодильное масло 3GS

Требуемая масса холодильного агента

Требуемая масса холодильного масла

Удельная стоимость холодильного агента

Удельная стоимость холодильного масла



4.4 Оптимизационный расчет конденсатора с трубой фирмы Wieland

Расчет проводится при использовании лицензионной программы, поставляемой фирмой Wieland. Исходными данными являются производительность конденсатора и температуры конденсации (п. 5.3.1)

Тепловой поток

Длина труб

Диаметр обечайки



Число труб при количестве ходов

Площадь поверхности



Мощность, потребляемая насосом конденсатора

Расчет массы аппарата

Корпус конденсатора

а) обечайка

- толщина обечайки

длина трубы (обечайки)

б) масса оребренной медной трубы

в) масса трубной решетки

- диаметр отверстий в решетке под трубы

Конденсатор

а) масса крышки (чугун)

по данным справочника ВНИИхолодмаш



б) удельная масса конденсатора

Расчет целевой функции

Стоимостная характеристика медных труб

стоимость медных труб фирмы Wieland

;

;

Стоимостная характеристика конденсатора

;

Стоимость конденсатора

Затраты на перекачку воды



4.5 Принятый вариант

Проанализировав полученные результаты, выбираем конденсатор со следующим параметрами:

Производительность 21 кВт. Температура конденсации 40 єС

Количество труб 77. Трубы оребренные ВНИИхолодмаш. Длина труб 490 мм. Данное решение принимается исходя из габаритов оборудования и оптимальной стоимостной характеристики.

Ниже приведен тепловой расчет принятого варианта конденсатора.

5 ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ РАСЧЕТЫ БАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

5.1 Расчет компрессора

Компрессор предназначен для отсасывания паров хладона из воздухоохладителя, сжатия их до давления конденсации и нагнетания в конденсаторы.

Для комплектации кондиционера К-25 СМ принят высокотемпературный компрессор ХГВ-28,0 производства Белорусского оптико-механического объединения «БЕЛОМО», по своим техническим и эксплуатационным характеристикам наиболее полно отвечающий требованиям «Технического задания» на выполняемую ОКР, поставляемый с приемкой Представительства Заказчика.

Тип компрессора - герметичный хладоновый поршневой непрямоточный с вертикальным расположением вала.

Компрессор комплектуется электродвигателем серии АВ 2К по ТУ 16-513.506-81, установленная мощность - 7,5 кВт.

5.1.1 Исходные данные

Холодопроизводительность

Температура кипения

Температура конденсации



5.1.2 Тепловой расчет

Температура всасывания паров хладона в компрессор

Температура жидкого фреона после конденсатора

Отношение давлений

Расход хладона

Объем паров хладона, отсасываемых компрессором их испарителя

Определение коэффициента подачи

а) коэффициент обратного расширения

где

б) коэффициент дросселирования

где - показатель адиабаты для хладона R22

в) коэффициент подогрева

г) коэффициент плотности

C учетом достаточного перегрева паров хладона на всасывании в компрессор принимаем

д) полный коэффициент подачи

Теоретическая объемная производительность

Диаметр цилиндра

- число цилиндров

- частота вращения вала компрессора

Ход поршня

Средняя скорость поршня

Параметр ускорения

Параметр удельных сил инерции

Изоэнтропная мощность компрессора

Индикаторный КПД компрессора

Индикаторная мощность компрессора

Мощность трения

Эффективная мощность

Механический КПД компрессора

Электрическая мощность

Действительный холодильный коэффициент

5.1.3 Динамический расчет

Построение расчетной индикаторной диаграммы

а) потери давления на всасывании и нагнетании

б) давление пара на поршень со стороны всасывания

в) давление пара на поршень со стороны нагнетания

г) геометрические параметры компрессора

Геометрическая длина шатуна

Геометрический радиус кривошипа

Величина мертвого объема

Величина хода поршня в конце процесса всасывания

Величина хода поршня в конце процесса сжатия

Массы частей компрессора

Масса шатуна

Масса поршня



Масса поступательно движущихся частей

Диаметр шатунной шейки

Длина шатунной шейки, приходящейся на один шатун

где - площадь поршня

- допускаемое удельное давление шатуна на вал

Масса шатунной шейки

Масса вращающихся частей

Определение сил инерции

а) угловая скорость вращения коленчатого вала

б) сила инерции постуательно движущихся частей

в) сила инерции вращающихся частей

Определение сил трения

а) сила трения поступательно движущихся частей, приходящаяся на один цилиндр

б) сила трения вращающихся частей, приходящаяся на один цилиндр

в) сила от давления газа

Суммарная сила

Расчет тангенциальных сил

а) угол отклонения шатуна



б) тангенциальная сила приходящаяся на один поршень

в) суммарная тангенциальная сила

Тангенциальная сила, действующая на первый поршень

Тангенциальная сила, действующая на второй поршень

Тангенциальная сила, действующая на третий поршень

Тангенциальная сила, действующая на четвертый поршень

Суммарная тангенциальная сила

среднее значение тангенциальной силы за один оборот



г) максимальная избыточная работа

Площадь избыточной площадки

Максимальная избыточная работа

д) необходимый момент инерции маховика

Допускаемая степень неравномерности вращения вала компрессора

Момент инерции маховика



Действительная степень неравномерности

Расчет противовеса

;

Расчетный радиус противовеса

Масса противовеса

5.2 Расчет конденсатора

Конденсатор с водяным охлаждением представляем собой кожухотрубный теплообменный аппарат типа хладон-вода (в кондиционере два конденсатора).

Корпус конденсатора состоит из горизонтальной цилиндрической трубы, на концах которой приварены трубные решетки, и пучка медных труб с накатными ребрами. Концы медных труб развальцованы в трубных решетках. Торцевые стороны конденсатора закрыты съемными крышками, что позволяет периодически очищать внутреннюю поверхность труб от солевых отложений и прочих механических частиц.

Конденсатор снабжен плавкой пробкой, предохраняющей аппарат от аварийного повышения давления при чрезмерном повышении температуры в помещении.

Температура плавления сплава плавкой пробки 70±3 єС.

Теплопередача в конденсаторе осуществляется через пучок медных труб, по которым циркулирует вода. Охлаждающая горячие пары хладона, нагнетаемые из компрессора. Пары хладона, охлаждаясь, конденсируются в жидкость которая стекает в нижнюю ресиверную часть.

5.2.1 Исходные данные

Тепловая нагрузка на конденсатор

Температура воды на входе в конденсатор

Температура конденсации

Расход воды на охлаждение конденсатора

Конденсатор кожухотрубный, горизонтальный, трубки 20Ч3 мм, оребренные

внутренний диаметр трубки

диаметр основания ребер

наружный диаметр ребер

Степень оребрения трубы

5.2.2 Средний температурный напор

температура воды на выходе из конденсатора



5.2.3 Скорость воды в трубках конденсатора

5.2.4 Число труб в одном ходе

Принято

5.2.5 Уточненная скорость

5.2.6 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны воды

Число Рейнольдса



Число Прандтля

Число Нуссельта

5.2.7 Суммарное термическое сопротивление

5.2.8 Плотность теплового потока со стороны воды

5.2.9 Коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося хладагента

Разность энтальпий в процессе конденсации

Коэффициент теплоотдачи

- коэффициент, учитывающий различные условия конденсации на горизонтальных и вертикальных участках поверхности трубы.

Плотность теплового потока со стороны хладагента, отнесенная к внутренней поверхности аппарата



5.2.10 Общее число труб в аппарате

5.2.11 Число ходов в аппарате по воде

Принято

Тогда



Принимаем

Тогда

5.2.12 Для того чтобы использовать часть аппарата под ресивер, освобождаем трубный пучек от двух нижних рядов, число исключенных труб

;

5.2.13 Число оставшихся труб

Принимаем

5.2.14 Диаметр трубной решетки



5.2.15 Площадь внутренней поверхности теплопередачи

5.2.16 Необходимая длина труб

Длина одной трубы

Действительная длина трубы

5.2.17 Внутренняя поверхность конденсатора

5.2.18 Наружная теплообменная поверхность конденсатора

;

5.2.19 Гидравлическое сопротивление конденсатора

Коэффициент трения

5.2.20 Скорость воды в патрубке

диаметр патрубка

5.2.21 Скорость хладона во входном патрубке

диаметр входного патрубка

удельный объем пара во входном патрубке

5.2.22 Скорость хладона в выходном патрубке

диаметр выходного патрубка

удельный объем пара в выходном патрубке

5.3 Расчет воздухоохладителя

Воздухоохладитель - теплообменный аппарат непосредственного испарения. Конструктивно воздухоохладитель представляет собой ребристую батарею, состоящую из пуска медных труб с насаженными на них ребрами их алюминиевого сплава. Соединение труб по ходу хладона осуществляется калачами. Расположение труб в пучке - шахматное.

Воздухоохладитель имеет 16 параллельных потоков по хладагенту (шлангов).

Теплообмен происходит между хладоном, циркулирующим в трубках, и воздухом, просасываемым через воздухоохладитель.

Хладон. Проходя по трубкам воздухоохладителя, кипит за счет теплопритока от воздуха. Влага, выпадающая на поверхности воздухоохладителя, собирается в поддоне и отводится в водяную трубку.

5.3.1 Исходные данные для расчета

Тепловая нагрузка на воздухоохладитель

Температура воздуха на входе в воздухоохладитель

Относительная влажность воздуха на входе в воздухоохладитель

Температура кипения

Объемный расход воздуха через воздухоохладитель