Контрольная работа: Промышленные холодильные установки

Контрольная работа: Промышленные холодильные установки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ

Контрольная работа

По предмету: Техника и технология

Тема: «Промышленные холодильные установки»

Бологое, 2009 г.

Введение

Под искусственным холодом в технике понимают получение температуры ниже, чем в окружающей среде, и поддержание такой температуры в технологических процессах или помещениях. Источником искусственного холода служат холодильные машины и установки, представляющие собой аппараты и трубопроводы с замкнутым циклом движения специальных веществ – рабочих тел, изменяющих свое агрегатное состояние в процессе получения холода.

Мысль о применении искусственного холода была высказана еще М.В. Ломоносовым в его труде «Размышления о причине тепла и холода». Однако практически искусственный холод научились получать только в 19 столетии.

Первым потребителем искусственного холода стала пищевая промышленность. С помощью холодильных машин стали замораживать и хранить мясо, рыбу и другие скоропортящиеся пищевые продукты.

Бурный технический прогресс 20 столетия, развитие современных отраслей промышленности привели к использованию искусственного холода в большом количестве технологических процессов. Сейчас почти нет отраслей народного хозяйства, не применяющих холод.

Длительное хранение пищевых продуктов, создание искусственного микроклимата в закрытых помещениях (кондиционирование), низкотемпературная закалка металла, замораживание водоносных грунтов для строительных работ, химическая технология, медицина – вот далеко не полный перечень применения искусственного холода.

Ряд физических, химических и других процессов при низких температурах протекает по-иному, чем при обычных, а многие современные химические продукты без искусственного холода было бы просто невозможно получить.

Химическая промышленность вышла на первое место по масштабам применения искусственного холода. Современная химия революционирует производство не меньше, чем это сделали в свое время паровая машина и электрический двигатель. Немалую роль в развитии химической промышленности сыграли прогресс холодильной техники и возможность использования огромных количеств холода.

Искусственное охлаждение входит как необходимое звено в большое количество процессов химической технологии. С помощью холода сжижают и разделяют газы, очищают нефть от твердых компонентов, выделяют соли из растворов, получают аммиачные удобрения, производят многие виды пластмасс и др.

1. Физические основы получения искусственного холода

1.1 Основы теплоотдачи

Передача внутренней энергии в виде теплоты от одних тел к другим или от одних молекул другим молекулам того же тела называется теплопередачей. Теплота передается всегда от тел более нагретых к менее нагретым под действием разности температур. В зависимости от состояния тел (твердые, жидкие или газообразные), а также от их взаимного расположения существуют три способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание.

В твердых телах теплота передается без механического перемещения частиц вещества, за счет передачи энергии движения соседним молекулам и называется теплопроводностью. Тепловая энергия молекул более нагретого участка вещества передается соседним, более холодным. Это можно наблюдать, например, при нагреве одного конца куска медной проволоки над пламенем спиртовки. Этот вид теплообмена происходит до тех пор, пока температура во всех участках тела не уравняется.

Способность различных веществ проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности, измеряемым в Вт/(м К).

В жидкостях и газах передача тепловой энергии от нагретых слоев к холодным происходит за счет конвекции, т.е. в результате перемещения частиц вещества в объеме. Это происходит потому, что холодные газ или жидкость тяжелее теплых. Нагретые слои всегда выталкиваются вверх, а их место занимают холодные. Учитывая процесс конвекции, отопительные батареи устанавливаются по возможности ниже, а охлаждающие батареи холодильников в верхней части помещений.

Передача тепла в жидкостях и газах путем естественного перемещения холодных слоев вниз, а теплых вверх называется естественной конвекцией. Перемещение газов при естественной конвекции происходит с небольшой скоростью. Поэтому в холодильной технике часто применяется принудительная конвекция, когда рядом с охлаждающей батареей устанавливается вентилятор. Такие батареи называются воздухоохладителями. С их помощью охлаждение происходит в несколько раз быстрее и перепад температур по высоте в охлаждаемых помещениях устанавливается минимальным: в пределах 1 – 2 ' С.

Способ передачи тепла лучеиспусканием называют еще температурным излучением, так как в основном все нагретые тела излучают тепло в виде инфракрасных лучей. Чем больше тело нагрето, тем больше лучистой энергии оно излучает. Лучистая энергия может передаваться на огромном расстоянии. Лучепоглощение различных тел зависит от окраски и состояния их поверхности. Темные поверхности поглощают почти всю лучистую энергию, которая на них падает, и при этом нагреваются, белые почти полностью отражают, прозрачные пропускают через себя, почти не нагреваясь.

В холодильной технике приходится иметь дело в основном с двумя видами передачи тепла – теплопроводностью и конвекцией.

Обмен тепла между поверхностью тела и окружающей средой называется теплоотдачей.

Интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей его жидкостью, паром или газом характеризуется коэффициентом теплоотдачи, измеряемым в Вт/(м2 К).

Теплоотдача одного и того же вещества может быть различной. Например, нагретый брусок стали очень быстро охлаждается в воде, медленнее в масле и еще медленнее на воздухе, даже если температуры воды, масла и воздуха одинаковы. Теплоотдача зависит от того, какие теплопередающие тела соприкасаются и как быстро тепло отводится от нагретого тела.

На величину коэффициента теплоотдачи влияют разность температур между поверхностью тела и окружающей среды и физические свойства обеих сред.

В технике приходится иметь дело со сложными процессами теплообмена, например, с передачей тепла от одной среды к другой через разделяющую стенку. Количество проходящего через стенку тепла зависит от целого ряда факторов: величины площади поверхности, толщины и коэффициента теплопроводности материала стенки, времени, в течение которого поддерживается разность температур с обеих сторон стенки, скорости движения и теплофизических свойств сред с обеих сторон стенки и разности температур. Количественной характеристикой сложного процесса теплообмена через разделяющую стенку служит коэффициент теплопередачи, на величину которого влияют коэффициент теплоотдачи от теплой среды разделяющей стенке, толщина и теплопроводность стенки, коэффициент теплоотдачи от стенки холодной среде. Коэффициент теплопередачи также измеряется в Вт/(м2 К).

Зная поверхность теплопередачи, разность температур по обе стороны разделяющей стенки и коэффициент теплопередачи, можно определить общее количество тепла, прошедшее через стенку в единицу времени: Q = F k (t1 – t2) Вт.

1.2 Фазовые изменения веществ

Существуют три агрегатных состояния вещества: газообразное, жидкое и твердое. Переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое называются фазовыми изменениями.

В процессе получения искусственного холода фазовые изменения веществ, происходящие с поглощением или выделением тепла, находят широкое применение.

Количество тепла, которое может поглотить 1 кг рабочего тела холодильной машины, называется холодопроизводительностью рабочего тела. Единицами измерения холодопроизводительности являются Дж/кг или кал/кг.

Изменения агрегатного состояния вещества сопровождаются выделением или поглощением теплоты в связи с внутренней работой по перегруппировке молекул. Так как агрегатное состояние вещества изменяется при постоянной температуре, зависящей от физических свойств и условий перехода вещества из одного состояния в другое, то выделяемая или поглощаемая теплота называется скрытой.

Переход твердого тела в жидкое состояние при определенной температуре называется плавлением. Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при постоянной температуре в жидкое состояние, называется скрытой теплотой плавления или просто теплотой плавления.

Когда тело при постоянной температуре переходит из жидкого состояния в твердое, выделяется такое же количество тепла.

Температура плавления при нормальном давлении называется точкой плавления. Для льда точка плавления равна 0 ' С.

Повышение давления при плавлении обычно затрудняет изменение агрегатного состояния и вызывает повышение температуры перехода в жидкое состояние.

Температура плавления и затвердевания водных растворов солей зависит от рода соли и концентрации ее в растворе. Наиболее низкая температура плавления и затвердевания раствора определяется криогидратной точкой.

Превращение твердых тел сразу в пар, минуя жидкую фазу, называется сублимацией. Количество тепла, необходимое для перехода 1 кг твердого вещества в пар при постоянном давлении и температуре, называется теплотой сублимации. Твердая углекислота при атмосферном давлении переходит в газообразное состояние при – 78 ' С.

Кипением называется процесс превращения жидкости в пар, происходящий по всему объему жидкости. Подобно тому, как температура льда во весь период его таяния осталась неизменной, температура жидкости, нагретой до точки кипения, остается постоянной, пока она вся не выкипит.

Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг жидкости, доведенной до температуры кипения, в пар, называется удельной теплотой парообразования или теплотой кипения.

Теплота парообразования расходуется на преодоление сил взаимного притяжения молекул жидкости и отрыв их от кипящей массы.

Испарением называется процесс превращения в пар жидкости, не достигшей точки кипения. Испарение происходит не по всему объему жидкости, а только на поверхности.

Процесс, обратный кипению, называется конденсацией. Конденсация протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования.

Во время кипения и при конденсации над поверхностью жидкости находится насыщенный пар.

Плотность и давление насыщенного пара в присутствии жидкости не изменяется при изменении его объема, при условии, что температура жидкости и пара остается неизменной. Насыщенный пар всегда находится в динамическом равновесии с жидкостью.

Давление насыщенного пара для каждой жидкости изменяется только с изменением температуры: чем выше температура, тем больше давление.

Насыщенный пар может быть сухим и влажным. Сухой насыщенный пар получается при полном испарении всей жидкости. Влажный пар – смесь сухого насыщенного пара с мельчайшими капельками жидкости, находящимися в нем во взвешенном состоянии.

1.3 Понятие о холодильном цикле

Термодинамические процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последовательно различные превращения, возвращается снова в первоначальное состояние, называются замкнутыми процессами или циклами.

В системах координат, по осям которых откладываются параметры состояния (p – v; T – s; p – i), такие процессы изображены замкнутыми контурами. За начало и конец цикла может быть принята любая его точка, но обычно за начало цикла принимают начало подвода теплоты к рабочему телу.

Различают прямые и обратные термодинамические циклы. Прямые циклы – это циклы тепловых двигателей. В них рабочее тело переносит тепло от нагретого источника к холодному, совершая при этом полезную работу за счет своего расширения (например, в паровой или газовой турбине).

В графиках прямых циклов линия расширения всегда расположена выше линии сжатия, а сам цикл совершается по часовой стрелке.

Назначение холодильных машин – отбирать тепло от охлаждаемого объекта и возвращать его более теплой окружающей среде.

Холодильная машина представляет собой замкнутую систему, внутри которой циркулируется рабочее тело, называемое холодильным агентом или хладагентом.

Чтобы перенести тепло, необходимо затратить внешнюю энергию на сжатие хладагента. Работа сжатия в холодильных машинах всегда больше работы расширения. Линия сжатия на графиках холодильных циклов располагается выше линии расширения, а сам цикл совершается против часовой стрелки. Поэтому такие циклы называют обратными или холодильными циклами.

Для эффективной работы холодильной машины не безразлично, из каких процессов состоит совершающийся в ней обратный цикл. Стремятся создать такие циклы, в которых получение холода происходит с минимальной затратой внешней энергии.

Наиболее совершенным холодильным циклом является обратный цикл Карло, получивший свое название по имени французского инженера, который предложил и исследовал его в середине 19 века. Этот цикл состоит из двух изотермических (4-1 и 2-3) и двух адиабатных (1-2 и 3-4) процессов.

В изотермическом процессе (4-1) к холодильному агенту подводится тепло от охлаждаемой среды, при этом температура остается постоянной. Точка 1 характеризует состояние паров хладагента, температура которых соответствует температуре охлаждаемой среды. В процессе адиабатного сжатия (1-2), протекающего без теплообмена с окружающей средой, температура и давление паров хладагента возрастают до значений, при которых начинается конденсация их в жидкость. Это состояние характеризуется на графике точкой 2. На этот процесс затрачивается работа. Процесс конденсации протекает при постоянной температуре Тк и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится в окружающую среду. Точка 3 на графике характеризует состояние, при котором процесс конденсации заканчивается и пары холодильного агента полностью переходят в жидкое состояние.

В адиабатном процессе расширения (3-4) холодильный агент понижает свою температуру от температуры Тк до температуры охлаждаемого объекта То. При этой температуре начинается процесс испарения жидкого хладагента, который протекает при постоянной температуре То и сопровождается поглощением скрытой теплоты парообразования (4-1).

Площадь заштрихованного прямоугольника 1-2-3-4 изображает внешнюю работу l, которую надо затратить для передачи тепла (q0) 1 кг хладагента от охлаждаемого объекта теплой окружающей среде. Отведенное тепло (q0) выражается площадью прямоугольника а-1-4-б.

Цикл Карно является идеальным циклом. Он предполагает, что температура охлаждаемой среды То не понижается, а температура окружающей среды Тк не повышается. Кроме того, в этом процессе предполагается отсутствие разности температур между источниками тепла и холодильным агентом, т.е. То, является температурой кипения холодильного агента и охлаждаемого объекта, а Тк – температура конденсации холодильного агента и окружающей среды.

Практически температура охлаждаемого объекта всегда должна быть выше температуры кипения холодильного агента. Тогда тепло от охлаждаемого объекта самопроизвольно перейдет к более холодному холодильному агенту в процессе 4-1. Температура окружающей среды, т.е. воздуха или воды, должна быть ниже температуры сжатых паров холодильного агента, тогда произойдет охлаждение и конденсация паров.

Исследования показали, что не существует других холодильных циклов, в которых работа, затраченная на передачу тепла от холодного источника к теплому, была бы меньше, чем в цикле Карно.

Действительные, реальные циклы холодильных машин отличаются от теоретического цикла Карно. Однако при создании холодильных машин стремятся к тому, чтобы совершающийся в них цикл как можно больше приближается к циклу Карно.

1.3 Одноступенчатая паровая компрессионная холодильная машина

Машины, в которых выработка холода производится за счет кипения жидкости с последующим сжатием образовавшихся паров в компрессоре, называются паровыми компрессионными машинами.

Паровая компрессионная холодильная машина состоит из четырех основных узлов: испарителя 2, компрессора 1, конденсатора 4 и регулирующего вентиля 3, соединенных между собой трубопроводами в замкнутую герметичную систему, в которой циркулирует холодильный агент.

Испаритель служит для кипения в нем холодильного агента, благодаря чему отбирается тепло от охлаждаемого объекта.

Компрессор служит для отсасывания паров из испарителя, что обеспечивает низкое давление кипящего холодильного агента, и для сжатия паров до такого высокого давления, при котором они могут сжижаться в конденсаторе.

В конденсаторе перегретые после сжатия в компрессоре пары сначала охлаждаются до температуры конденсации, а затем отдают скрытую теплоту парообразования, после чего насыщенные пары превращаются в жидкость.

Регулирующий вентиль дросселирует жидкий холодильный агент от давления конденсации до давления кипения в испарителе и регулирует подачу холодильного агента в испаритель.

В испаритель надо подавать столько жидкости в единицу времени, сколько успевает ее выкипеть и в виде паров отсасывается компрессором.

Благодаря затрате энергии на привод компрессора, холодильный агент, циркулируя по системе и меняя свое агрегатное состояние, отбирает тепло от охлаждаемого объекта и передает его охлаждающей воде в конденсаторе. Все тепло, забираемое в охлаждаемом объеме (Q0), и тепло, которое получают пары холодильного агента при сжатии в компрессоре (Qе ), передается охлаждающей воде конденсатора (Qк).

Qк = Q0 + Qе – это равенство называется тепловым балансом паровой компрессионной холодильной машины.

1.4 Многоступенчатая паровая компрессионная машина

В тех случаях, когда в паровой компрессионной машине должна быть достигнута сравнительно низкая температура, а также, когда охлаждающая конденсатор среда имеют температуру свыше 30' С и выше, компрессор должен работать со значительной степенью сжатия.

Высокая степень сжатия приводит к снижению производительности компрессора за счет уменьшения подачи свежего хладагента в цилиндр из-за расширения паров, оставшихся в нем от предыдущего сжатия, образования нагара в цилиндрах из-за высокой температуры сжатия, а также из-за глубокого дросселирования жидкого хладагента.

Чтобы повысить экономичность холодильных машин такого типа, при степени сжатия, равной восьми и более, применяют двухступенчатое сжатие и двухступенчатое дросселирование.

В двухступенчатой холодильной машине можно получить одну или две температуры испарения, что позволяет снабжать потребителей холодом двух параметров.

Цикл холодильной машины с двухступенчатым сжатием характеризуется последовательным сжатием паров в цилиндре низкого давления ЦНД и цилиндре высокого давления ЦВД с промежуточным охлаждением паров водой и за счет кипения хладагента.

Рабочий цикл совершается в следующем порядке: сухие пары, образовавшиеся в испарителе низкого давления F, засасываются цилиндром компрессора низкого давления В. После сжатия до промежуточного давления перегретые газы сначала охлаждаются при том же давлении водой в водяном охладителе G, а затем, за счет испарения части хладагента в особом аппарате – промежуточном сосуде Д.

После этого цилиндр высокого давления А засасывает:

Охлажденный насыщенный пар из ЦНД;

Пар, образовавшийся в промежуточном испарителе Е;

Пар, образовавшийся в промежуточном сосуде Д при первом дросселировании. Тепло этого пара пошло на снятие температуры перегрева паров, поступивших из ЦНД.

Смесь паров сжимается в ЦВД, перегретые пары охлаждаются и переходят в жидкое состояние в конденсаторе С. Затем жидкость переохлаждается в конденсаторе С и дросселируется. Проходя через промежуточный сосуд, жидкость разделяется на два потока: идет в испаритель промежуточного давления и через регулирующий вентиль или клапан в испаритель НД. Образовавшиеся из этих потоков пары хладагента после промежуточного сосуда засасываются в ЦВД.

Многоступенчатое сжатие может быть осуществлено системой отдельно работающих холодильных машин – каскадом. В каскадных схемах испаритель высшей ступени служит одновременно конденсатором низшей ступени. В нижней ветви каскада, как правило, используется рабочее тело с очень низкой температурой замерзания, а в верхних ветвях – с более высокой.

2. Холодильные агенты и промежуточные хладоносители

2.1  Требования, предъявляемые к холодильным агентам

Как ранее отмечалось, рабочие тела холодильных машин носят название холодильных агентов или хладагентов. Для осуществления рабочего процесса в холодильной машине может быть использована любая жидкость, при испарении которой от охлаждаемой среды можно отвести необходимое количество тепла с понижением температуры до заданных пределов. Однако от того, какой хладагент применен в холодильной установке, зависят конструкция ее машин и теплообменной аппаратуры, вес, габариты и др.

Практически в качестве хладагентов применяются вещества, имеющие сравнительно низкую температуру кипения.

Требования, предъявляемые к хладагентам, можно свести в четыре группы:

1. термодинамические. К ним относятся температура и давление испарения, температура и давление конденсации, теплота испарения, удельная холодопроизводительность, температура замерзания.

Температура испарения хладагента в рабочем режиме должна быть по возможности такой, чтобы давление в испарителе превышало атмосферное. Это позволяет избежать вакуума в аппаратах и связанного с ним проникновения воздуха в систему, ухудшающего работу холодильной машины.

Температура конденсации должна быть такой, чтобы давление конденсации не превышало 10 / 20 кгс/см2, так как более высокое давление требует более громоздкой аппаратуры.

Теплота испарения хладагента и определяемая ею холодопроизводительность должна быть как можно большей. Чем больше теплота парообразования 1 кг хладагента, тем меньше хладагента должно циркулировать в системе.

Холодопроизводительность единицы объема хладагента тоже должна быть как можно большей. Чем она выше, тем меньшие размере имеют машины и аппаратура холодильной установки и тем меньше затраты энергии на циркуляцию хладагента.

2. физико-химические. К ним относятся: плотность, вязкость, коэффициент теплопроводности, химическая стойкость при контакте с металлами, влагой.

Желательно, чтобы плотность и вязкость хладагентов были небольшими, это уменьшает расходы энергии на их циркуляцию. Они должны быть устойчивыми к растворению маслами. Это уменьшает унос масла из компрессоров и способствует лучшей сохранности смазки.

Хладагенты не должны вызывать коррозию материалов, из которых изготовлены аппараты холодильных установок, хорошо растворять влагу во избежание ее вымерзания на стороне испарения и обладать достаточной химической стойкостью.

3. Физиологические. Хладагенты должны быть безвредными для обслуживающего персонала, легко обнаруживаться при утечках, не портить продукцию тех производств, где они применяются.

4. экономические. Хладагенты должны быть доступны и дешевы.

Развитие холодильной техники привело к необходимости специализации холодильных агентов по типам компрессорных машин, зонам температур кипения (высокотемпературные, умеренного холода, низкотемпературные), числу ступеней (одно- и двухступенчатые, каскадные).

Одним из наиболее распространенных холодильных агентов является аммиак. Однако в современных холодильных машинах все большее применение находят фреоны – холодильные агенты, получаемые из метана, этана и пропана путем замещения атомов водорода на атомы фтора и хлора.

Крупные холодильные установки химической и нефтеперерабатывающей промышленности являются потребителями большого количества холодильных агентов, поэтому в качестве хладагентов выгодно использовать продукты, вырабатываемые на данном предприятии или используемые на нем в виде исходного сырья.

2.2 Свойства важнейших холодильных агентов

Аммиак. Получается синтетическим путем из водорода и азота воздуха. Относится к сжиженным газам. По термодинамическим свойствам, дешевизне и доступности является одним из лучших хладагентов.

Давление испарения аммиака в диапазоне рабочих температур от -40 до 0 С колеблется от 0,8 до 4,4 кгс/см2, а давление конденсации не превышает 13-14 кгс/см2.

Холодопроизводительность 1 м3 паров аммиака выше, чем у других хладагентов. С понижением температуры кипения объемная холодопроизводительность аммиака падает.

Страницы: 1, 2