Содержание 4 ПЕРЕЧЕНЬ ЛИСТОВ ГРАФИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ 5 ВВЕДЕНИЕ 6 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 7 1.1. Низкотемпературные холодильные установки испытательных камер 7 1.2. Назначение и конструкция термокамеры 7 1.3. Физические основы получения низких температур 9 2. ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ AППAPАТУРНО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ 11 2.1. Обоснование схемы 11 2.2. Описание схемы 15 3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ХЛАДАГЕНТАМ 20 3.1. Термодинамические требования 20 3.2. Физико-химические требования 21 3.3. Физиологические требования 21 3.4. Экономические требования 22 4. СВОЙСТВА РАБОЧИХ ВЕЩЕСТВ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 23 4.1. Обозначение и классификация рабочих веществ 23 4.2. Термодинамические свойства 24 4.3. Теплофизические свойства 24 4.4. Химические и физико-химические свойства 25 5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫБРАННЫХ ХЛАДАГЕНТОВ ТЕРМОКАМЕРЫ 28 5.1. Хладагент R22 28 5.2. Хладагент R23 29 6. ПОДБОР ОБОРУДОВАНИЯ 31 6.1. Расчет теплопритоков 31 6.2. Расчет испарителя 33 6.3. Подбор компрессоров 41 6.4. Коммуникации 45 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ КАМЕРЫ 46 7.1. Автоматический контроль 46 7.2. Автоматическая сигнализация 47 7.3. Автоматическая защита 47 7.4. Автоматическое регулирование 48 7.5. Приборы и средства автоматического регулирования 54 7.6. Автоматическое управление 65 8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА 67 8.1. Введение к разделу 67 8.2. Стоимость изготовления термокамеры 68 8.3. Организация планово-предупредительного ремонта 69 8.4. Основные технико-экономические показатели 80 8.5. Выводы к разделу 87 9. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 88 9.1. Постановка проблемы 88 9.2. Анализ существующего положения 89 9.3. Мероприятия по энергосбережению 89 9.4. Оценка эффективности мер по энергосбережению 91 9.5. Выводы к разделу 92 10. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА 93 10.1. Введение к разделу 93 10.2 Безопасность проекта 94 10.3. Экологичность проекта 103 10.4. Чрезвычайные ситуации 105 10.5. Выводы к разделу 108 ЗAКЛЮЧЕНИЕ 110 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 111 Тема дипломного проекта: “Камера “тепло-холод””. Цель дипломного проекта - проектирование испытательной термокамеры с объемом камеры 0,195 м³ с диапазоном температур от -60°С до 80°С. В проекте рассмотрена каскадная гидравлическая схема установки, кото­рая включает в себя компрессоры, конденсатор, атмосферный охладитель, ре­генеративные теплообменники, термоэлектрические нагреватели, испаритель­конденсатор, дроссели, испаритель и средства автоматизации. В проекте выполнены: расчет цикла холодильной установки, выбор ос­новного стандартного и нестандартного оборудования, представлена оценка энергоэффективности установки, проведен расчет экономической эффектив­ности проекта, рассмотрены вопросы безопасности и экологичности проекта. Окупаемость термокамеры составляет 0,3 года. Термокамера применяется: - в научно-исследовательских лабораториях; - на предприятиях и в медицинских учреждениях для испытания свойств материалов, деталей, узлов, изделий и для технологических целей Пояснительная записка содержит: 112 с., 17 табл., 18 рис., 28 библиогра­фических ссылок. ПЕРЕЧЕНЬ ЛИСТОВ ГРАФИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ № п/п Наименование документа Обозначение документа Формат 1 Термокамера. Гидравлическая схема 260601 701000 2771 Т3 А1 2 Термокамера. Чертеж общего вида 260601 701000 2771 ВО 2Аl 3 Машинное отделение. Сборочный чертеж 260601 701300 2771 СБ 2Аl 4 Компрессор. Чертеж общего вида 260601 064460 2771 ВО 2А1 5 Испаритель. Сборочный чертеж 260601 065500 2771 СБ А2 6 Палец 260601 064460.09 2771 А4 7 Подпятник 260601 064460.13 2771 А4 8 Клапан всасывающий 260601 064460.16 2771 А3 9 Пластина 260601 065502 2771 А4 10 Калач 260601 065503 2771 А4 ВВЕДЕНИЕ Термокамеры находят все более широкое применение во многих отраслях промышленности, а развитие некоторых отраслей нельзя представить без ис­пользования установок «тепло-холод». Основное применение термокаме­ры - это испытание объектов, изделий промышленности на воздействие от­рицательных и положительных температур воздуха в определенных диапазонах, с за­данной скоростью их изменения и определенной точностью поддержания. Для повышения конкурентоспособности отечественной холодильной тех­ники, необходимо уделить особое внимание усовершенствованию сущест­вующих комплектаций холодильной машины для эффективного получения низких температур. 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 1.1. Низкотемпературные холодильные установки испытательных камер [1, с. 389] Испытательные камеры предназначены для создания внешних воздейст­вующих факторов: климатических (температура, влажность и давление возду­ха, солнечная радиация, атмосферные осадки и др.) и механических (вибра­ция, удар, ускорение и др.), а также для экспериментального определения ха­рактеристик объекта испытаний в результате воздействия на него указанных факторов. В состав этих камер входят и холодильное оборудование. Испытательные камеры, универсальные по назначению, выпускают се­рийно, и технические требования к ним регламентируются стандартом. В за­висимости от вида создаваемых воздействующих факторов выделяют сле­ду-ющие типы камер: - термокамеры (положительные и отрицательные температуры воздуха); - термобарокамеры (положительные и отрицательные температуры, давления воздуха); - термовлагокамеры (положительные и отрицательные температуры, влажность воздуха); - термобаровиброкамеры (положительные и отрицательные температу­ры, давление воздуха, а также вибрация) и т. д. 1.2. Назначение и конструкция термокамеры [1, с. 391] Термокамера предназначена для испытания объектов на воздействие от­рицательных и положительных температур в определенных диапазонах, с за­данной скоростью их изменения и определенной точностью поддержания. Термокамеры используют: для типового испытания изделий электронной, электротехнической, машиностроительной, строительной промышленности; холодильной обработки, которая является частью технологического процесса, например для низкотемпературной закалки высоколегированной стали с це­лью повысить срок службы измерительного и режущего инструмента; искус­ственного старения печатных плат, оптических линз и дюралюминиевых за­клепок, исследования свойств материалов; длительного хранения медикамен­тов и биологических объектов. Наибольшее распространение получили тер­мокамеры с такими диапазонами технических характеристик: полезный объем (вместимость) 0,015-2,0 м³; температура - 70 ... + 180 ºС; скорость охлаждения от 20 до -70 ºС 90-120 мин; скорость нагревания от 20 до 180 ºС 40-60 мин; точность поддержания температуры 0,2-2,0 К. Однако есть термокамеры с большей вместимостью (до 1000 м³), более низкой (до -150 ºС) и высокой (до 300 ºС) предельными температурами. Термокамеры выполняют в виде прямоугольного блока, в котором ском­понованы собственно камера с теплоизоляцией, холодильное оборудование, пульт сигнализации и управления (рис. 1.1). Термокамера 1 - дверь; 2 - смотровое окно; 3 - запорное устройство; 4 - уплотнение; 5 - полезный объем; 6 - вентилятор; 7 - пульт сигнализации и управления; 8 ­нагнетательный канал; 9, 11 - решетки; 10 - теплоизолированный корпус; 12 ­вентилятор; 13 - электродвигатель; 14 - испаритель; 15 - электронагреватель; 16 - холодильный агрегат. Рис. 1.1. Камера имеет теплоизолирован­ный корпус 10, выполненный из коррозионно-стойкой стали, дверь 1 на пет­лях с резиновым уплотнением 4 по периметру, запорным устройством 3 и смотровым окном 2 с многослойным остеклением. Корпус изолируется эффек­тивным температуростойким теплоизо-ляционным материалом (пенополиуретан, стекловата), толщину которого определяют исходя из рекомендуемой плотности теплового потока 16-20 Вт/м². Теплоизоляция может быть распо­ложена как внутри, так и снаружи несущего нагрузку корпуса камеры. Внут­реннее расположение теплоизоляции исключает ее увлажнение при работе и уменьшает ее тепловых мостиков в местах опоры корпуса. Но при этом уве­личиваются размеры камеры. В охлаждаемом пространстве камеры находятся: конструкционно выде­ленное пространство с исследуемым объектом, называемое полезным объе­мом; охлаждающие батареи; крыльчатка вентилятора; воздуховоды и т.д. Зна­чение полезного объема является одной из основных технических характери­стик испытательной камеры. Испаритель исполняют, как правило, из ореб­ренных труб и оснащают вентиляторами, электродвигатели которых распола­гают вне охлаждаемого пространства. Система воздухораспределения вклю­чает каналы, решетки, жалюзи и обеспечивает подачу воздуха в объем с ис­следуемым объектом, как правило, снизу вверх. Электронагреватели (закры­тые трубчатые или открытые спиральные) размещают в воздуховоде. Холо­дильное оборудование располагают в нижней части блока, на общей опорной раме. Пульт управления обеспечивает: автоматическое регулирование режима работы камеры по заданному закону, автоматическое управление работой оборудо-вания, автоматический контроль текущих значений параметров, авто­матичес-кую сигнализацию о достижении заданных значений параметров, ав­томатичес-кую защиту от возникновения аварийных ситуаций. 1.3. Физические основы получения низких температур [2, с.158] Физическая природа теплоты и холода одна и та же, разница состоит только в скорости движения молекул и атомов. Когда теплота отводится, движение молекул замедляется и тело охлаждается. Если же теплота подво­дится, то движение молекул ускоряется и тело нагревается, т.е. причиной на­грева и охлаждения является движение молекул, из которых состоит любое физическое тело. Охлаждение нагретого тела до температуры окружающей среды происходит самопроизвольным, естественным путем за счет отдачи те­-плоты в окружающую среду (воздух, вода) без применения холодильной тех­ники. Задача последней является охлаждение тела до температуры ниже тем­пературы окружающей среды, что можно осуществить с помощью холодиль­ных машин или источников безмашинного холода (например, льда). Процессы в элементах холодильной машины взаимосвязаны и на них оказывают влияние, как окружающая среда, так и охлаждаемые объекты. Для получения низ­ких температур используют физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К числу таких основных процессов относятся: фазо­вый переход вещества, сопровождающийся поглощением теплоты извне ­плавление, кипение (испарение), сублимация; изоэнтропное дросселирование газа с начальной температурой, меньшей температуры точки инверсии (эф­фект Джоуля-Томсона); вихревой эффект (эффект Ранка-Хилъша); термоэлек­трический эффект (эффект Пельтье). В данном дипломном проекте для получения низких температур приме­няется фазовый переход - процесс кипения [3, с. 9]. Агрегатное состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное) зависит от внешних условий - температуры t и давления р. При определенном изме­нении этих условий форма связи между молекулами в теле меняется и оно пе­реходит в другое агрегатное состояние. Переход однородного тела из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением. Фазовые превращения однородных тел происходят при постоянной температуре, зави­сящей от условий перехода и физических свойств тела, и сопровождается вы­делением или поглощением скрытой теплоты, которая расходуется на измене­ние связи между молекулами. Фазовые превращения не сопровождаются химическими изменениями и являются физическими процессами. 2. ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ 2.1. Обоснование схемы [4, с. 95], [5, с. 92] Расчет цикла термокамеры заключается в определении параметров рабо­чего тела в узловых точках и исходных данных для проектирования или под­бора оборудования. Температуры кипения и конденсации являются основными внутренними параметрами, определяющими схему и режим работы парокомпрессионной холодильной машины. Температуру конденсации фреона 22 находим, принимая среднюю раз­ность температур в пределах 10°С [6, с. 356]: , (2.1) где tR22 - температура хладагента на выходе из конденсатора. ºС Температура охлаждаемого объекта определяется температурой кипения хладоносителя, подаваемого в технологический аппарат, tox= -60 °С. Прини­мая среднюю разность температур в фреоновых испарителях 10 °С, находим температуру кипения R22. ºС По диаграмме i -lg р (рис. 2.5.) находим давление паров фреона в испа­рителе и конденсаторе: PR22, кип. = 0,2 МПа (при tR22, кип. = -70 ºС); PR22, кон. = 13,5 МПа (при tR22, кон. = 35 ºС); Степень повышения давления в компрессоре Ркон./Ркип. = 1,35/0,02=67,5. Рекомендуемое соотношение для одноступенчатых машин Ркон./Ркип.≤8[6, с. 356]. Поэто­му одноступенчатая машина для достижения -60 °С не подходит. Возможное решение это 2-х каскадная, либо 2-х ступенчатая холодильная машина. Принципиальная схема и теоретический цикл двухступенчатой холодиль- ной машины с промежуточным сосудом показаны на рис. 2.1 Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины со змеековым промежуточным сосудом Рис.2.1. Рабочие вещество в состоянии сухого насыщенного пара (точка 1) по­ступает в компрессор первой ступени 1, где сжимается (процесс 2-1) и на­правляется в промежуточный теплообменник II. В теплообменнике рабочее вещество охлаждается (процесс 2-3) за счет окружающей среды. После теп­лообменника происходит смешение рабочего вещества, идущего из первой ступени и из промежуточного сосуда VI. После смешения состояние рабоче­го вещества определяется точкой 4. Затем рабочее вещество поступает в ком­-прессор второй ступени III, где сжимается (процесс 4-5), потом - в конденсатор IV, где сначала охлаждается до состояния сухого насыщенного пара и конденсируется (процесс 5-6). Большая часть рабочего вещества идет через змеевик промежуточного сосуда, а меньшая - дросселируется во вспомога­тельном дроссельном вентиле V (процесс 6-7). В промежуточном сосуде влажный пар, который получился после дросселирования, делится на состав­ляющие: сухой насыщенный пар (состояние 8), идущий во вторую ступень, и насыщенную жидкость (состояние 9), скапливающуюся в нижней части про­межуточного сосуда. Под воздействием теплоты, которая поступает от рабо­чего вещества, идущего по змеевику, жидкость кипит при давлении pт. Пар, образовавшийся при кипении, также отсасывается компрессором второй сту­пени. Рабочее вещество, которое идет по змеевику, охлаждается (процесс 6­-10), затем дросселируется в основном дроссельном вентиле VII (процесс 10­-11) и поступает в испаритель VIII, где кипит (процесс 11-1). Каскадная холодильная машина состоит из двух одноступенчатых машин, называемых нижней и верхней ветвью каскада (рис. 2.2.). Схема и цикл каскадной холодильной машины Рис.2.2 В нижней ветви каскада используется рабочее вещество высокого давления, которое, получая теплоту в испарителе VII от источника низкой температуры, кипит (процесс 4 -1), пар сжимается в компрессоре I (процесс 1 - 2), охлаждается и конденсируется в испарителе конденсаторе V (процесс 2 - 3), а затем дроссе­лируется в дроссельном вентиле VI (процесс 3 - 4). Теплота конденсации рабочего вещества нижней ветви каскада отбирается рабочим веществом холо­дильной машины верхней ветви каскада - как правило, это рабочее вещество среднего давления, которое кипит в испарителе-конден-саторе. Пар рабочего вещества верхней ветви каскада сжимается компрессором II (процесс 5 - 6), затем ра­бочее вещество верхней ветви каскада направляется в конденсатор III (про­цесс 6 - 7), дросселируется в дроссельном вентиле IV (процесс 7 - 8) и посту­пает в испаритель-конденсатор. Таким образом, рабочее вещество в машине нижней ветви каскада совершает цикл 1 - 2 - З - 4, а в машине верхней ветви каскада - цикл 5 - 6 - 7 - 8, и эти машины объединяются испарителем ­конденсатором. Рабочим веществом нижней ветви каскада является R2З, поэтому во время стоянки машины, когда температура всех ее частей сравняется с тем­пературой окружающей среды, значительно повышается давление во всех элементах машины (при 25°С давление насыщенных паров R2З составляет приблизительно 5 МПа). Для предотвращения от чрезмерного повышения давления в холодильной машине нижней ветви каскада к системе подключа­ют расширительный сосуд VIII, рассчитанный так, чтобы при остановке ма­шины давление во всех элементах машины не превышало расчетного пре­дельного значения, а при пуске рабочее вещество сначала отсасывается из него, а затем подключается испаритель. В действительных циклах каскадные машины чаще всего, выгоднее двухступенчатых (иногда и трехступенчатых). Это объясняется следующими преимуществами работы с рабочими веществами высокого давления: - теоретический объем компрессора каскадной машины меньше, чем двухступенчатой из-за меньших удельных объемов всасываемого пара; - при больших значениях давления всасывания относительные потери мощности в клапанах значительно меньше; - так как Vт компрессора нижней ветви каскада меньше, чем компрессора нижней ступени, то мощность трения компрессоров каскадной машины меньше, чем двухступенчатой; - отношение давлений для одинаковых диапазонов температур у рабочих веществ каскадных машин меньше; - отсутствие промежуточного сосуда. Выбираем каскадную схему с двумя одноступенчатыми ветвями (рис. 2.3.). Схема термокамеры Рис.2.3. 2.2. Описание схемы и циклов В нижней ветви каскада используется рабочее вещество высокого давле­ния - хладон 23; в верхней ветви - рабочее вещество среднего давления - ­хладон 22 (свойства хладонов описаны в разделе 5). Для построения рабочего цикла нижнего каскада на диаграмму i – lg р нанесены характерные точки циклов, показывая основные процессы цикла машины (рис. 2.4). Необходимые для построения цикла параметры: - температура кипения R23: tкип. = -70 ºС (Ркип = 0,2 МПа); - температура конденсации R23: tкон. = -18 ºС (Ркон. =1,5 МПа). Пересечение изобары давления Ро с кривой насыщенного пара показыва­ет состояние хладагента на выходе из испарителя - т.1 ”. Перегрев пара про­исходит в теплообменнике регенеративном ТР2 и во всасывающем трубо­проводе перед компрессором КМ2 при Ркип до температуры tвc. Подогрев пара в ТР2, с одной стороны, увеличивает работу компрессора, но, с другой сто­роны, уменьшает тепловой поток в испарителе-конденсаторе. Точка всасыва­ния 1 лежит на пересечении изобары Ркип и изотермы tвс в области перегрето­го пара. Нагрев рабочего вещества в процессе 1”- 1 принимаем около 20 ºС. Эта величина может изменятся в зависимости от условий работы машины. При сжатии пара в компрессоре давление повышается до Ркон точка сжатия 2 лежит на пересечении адиабаты, проведенной из точки 1 и изобары Ркон. Температура этой точки называется температурой нагнетания компрессора. Из КМ2 перегретый пар охлаждается воздухом в ОА2 (т.3”), в ТР2 - холод­ным паром, идущим из испарителя (т.3). Точку 3 можно определить энталь­пии iз=i3” +i1” -i1 или по диаграмме i - lg р. В состоянии пара хладагент посту­пает в испаритель-конденсатор. Теплота от испарителя-конденсатора отво­дится верхней ветвью каскада. Жидкое рабочее вещество после освобожде­ния от влаги и загрязнений в фильтре-осушителе ФОl дросселируется в дросселе Д. Линия энтальпии проходит вертикально вниз до пересечения с изобарой Ркип. В состоянии влажного пара (т.4) хладагент поступает в испа­ритель, где кипит при постоянных температуре и давлении до состояния на­сыщенного пара (т.l”). Цикл замыкается и повторяется. Для построения рабочего цикла верхнего каскада на диаграмме i - lg Р (рис. 2.5.), задаются параметры: - температура кипения R22: tкип = -28 ºС (Ркип = 0,178 МПа); - температура конденсации R22: tкон = 35 ºС (Ркон = 1,368 МПа). Состояние насыщенного пара на выходе из испарителя-конденсатора И-К показывает т. 5”. Перегрев пара происходит в теплообменнике ТРl и во всасывающем трубопроводе перед компрессором при Ркип до tвc (т. 5). При сжатии пара в компрессоре давление повышается до Ркон (т.6). Из компрессо­ра перегретый пар поступает в конденсатор, где сначала охлаждается, затем конденсируется при постоянной температуре до состояния насыщения жид­кости (т.7”). После конденсатора жидкость поступает в линейный ресивер Р. Процесс переохлаждения (7”-7) проходит в ТР1, т.7 находим по энтальпии i7=i7”+i5”-i5 или по диаграмме i - lg р. После освобождения от влаги и загряз­нений в фильтре-осушителе ФО1 переохлажденная жидкость поступает к дросселю и дросселируется до давления кипения Ркип при i=const . В состоя­нии влажного пара (т.8) хладагент поступает в испаритель-конденсатор, где кипит при постоянных температуре и давлении кипения до состояния насы­щенного пара (т.5”), отводя теплоту от конденсирующего хладагента нижней ветви каскада. Образовавшийся пар нагревается в теплообменнике ТР1 и вса­сывается компрессором КМ1. Цикл замыкается и повторяется. Необходимые для расчетов значения параметров узловых точек холо­дильных циклов представлены в таблице 2.1. Таблица 2.1. Параметры узловых точек циклов Параметры Точки циклов 1” 1 2 3” 3 4 5” 5 6 7” 7 8 Р, МПа 0,2 0,2 1,5 1,5 1,5 0,2 0,178 0,178 1,368 1,368 1,368 0,178 t, ºC -70 -50 45 25 -20 -70 -28 -8 80 25 5 -28 i, кДж/кг 332 348 410 173 158 158 680 705 765 545 528 528 3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ХЛАДАГЕНТАМ К хладагентам предъявляются четыре группы требований: термодина-мические, физико-химические, физиологические и экономические. 3.1. Термодинамические требования [3, с.17] Предъявляют следующие термодинамические требования: - объемная холодопроизводительность qv холодильного агента должна быть большой, так как при больших qv значительно уменьшаются размеры и масса ком­прессора вследствие малых объемов циркулирующего холодильного агента. Но это требование при выборе холодильного агента не яв­ляется решающим, так как с увеличением qv растет разность дав­лений в холодильной машине, что также весьма нежелательно; - давление холодильного агента в конце сжатия не должно быть слишком высоким, так как высокие давления приводят к усложне­нию и утяжелению конструкции машины, делают ее небезопасной; - давление кипения холодильного агента желательно иметь выше атмос-ферного, так как при вакууме в систему может засасываться воздух, который отрицательно влияет на работу холодильной маши­ны; - отношение давления Рк/Ро должно быть небольшим, так как c уменьше-нием значений Рн/Ро уменьшаются затрачиваемая работа и габариты, увеличи-вается КПД компрессора; - теплота парообра­зования должна быть большой, так как чем она больше, тем мень­шая масса холодильного агента должна циркулировать для созда­ния необходимой холодопроизводительности; - температура затвердевания холодильного агента должна быть низкой, а критиче­ская температура - высокой, так как первая ограничивает возмож­ность достижения низких температур, а при небольших значениях второй уменьшается холодильный коэффициент; - плотность и вяз­кость холодильного агента должны быть небольшими для сокра­щения гидравлических потерь в трубопроводах и клапанах. Кроме того, с уменьшением вязкости увеличиваются коэффициенты тепло­отдачи и теплопередачи, что уменьшает расход металла на тепло­обменные аппараты. 3.2. Физико-химические требования [3, с.17] Предъявляют следующие физико-химические требования: - желательно, чтобы холодиль­ные агенты растворялись в воде во избежание образования ледяных пробок в дросселе и нарушения работы системы. Кроме того, сво­бодная вода способствует коррозии металла; - важным свойством холодильных агентов является их растворимость в масле. Если холодильный агент не растворяется в масле, то оно легко отделя­ется от холодильного агента, который кипит при to = const независимо от количества масла в системе. Но на стенах теплопередающих аппаратов образуется масляная пленка, ухудшающая теплопе­редачу, что является недостатком таких холодильных агентов. Если холодильный агент растворяется в масле, то слой масла с теплопередающих поверхностей смы-вается ­ почти полностью; это улучшает теплопередачу. Однако его трудно удалить из испарителя, что повышает температуру кипения при увеличении концентрации мас­ла и может значительно ухудшить работу машины; - холодильные агенты должны быть нейтральными к металлам (даже в присутст­вии влаги) и прокладочным материалам; - холодильные агенты не должны быть горючими и взрывоопасными; - холодильные агенты должны обладать запахом, цветом или другими свойствами, позво­ляющими легко обнаружить утечку; - холодильные агенты не дол­жны разлагаться при высоких темпера-турах. 3.3. Физиологические требования [3, с.18] Холодильные агенты не должны быть ядовитыми, не должны вызывать удушья и раздражения сли­зистых оболочек глаз, носа и дыхательных путей человека. 3.4. Экономические требования [3, с.17] Холодильные агенты должны быть дешевыми и недефицитными. Многообразие требований, предъявляемых к холодильным аген­там, приводит к тому, что найти универсальное вещество, отвеча­ющее всем требованиям, невозможно, поэтому холодильный агент в разных случаях выбирается с учетом назначения, условий работы и конструктивных особенностей холодильной машины. 4. СВОЙСТВА РАБОЧИХ ВЕЩЕСТВ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 4.1. Обозначение и классификация рабочих веществ [4, с. 35] Процессы отвода теплоты от источника низкой температуры, а также подвода теплоты к источнику высокой температуры или к окружающей среде связаны с явлением теплообмена. Эти процессы протекают с участием не ме­нее двух тел, одно из которых - охлаждающее (или нагревающее) – принято называть рабочим веществом или холодильным агентом. В последнее время наибольшее распространение получил термин «хладагент». Термодинамические, теплофизические свойства хладагентов, их токсич­ность, пожароопасность, взаимодействие с конструкционными материалами и смазочными маслами оказывают существенное влияние на показатели работы холодильных машин. К таким показателям можно отнести энергетическую эффективность, материалоемкость, надежность, безопасность холодильных машин и др. свойства хладагентов определяют также температурные условия работы холодильных машин и возможность создания машины той или иной производительности. В настоящее время на практике применяют порядка 20 хладагентов. Наи­более доступными хладагентами является вода и воздух. К концу 60-х годов сформировалась официальная система обозначений холодильных агентов. Со­гласно международному стандарту ИСО «Органические хладагенты», с 1968 года была установлена единая система обозначений. Система обозначений включает наименования и числа. Буква R или слово refrigerant (холодильный агент) составляют наименование; цифры связаны со структурой молекулы хо­лодильного агента; последняя цифра равна числу атомов фтора в молекуле, предпоследняя - на единицу превышает число атомов водорода, а третья - от конца на единицу меньше числа атомов углерода в молекуле. Число атомов хлора равно разности от вычитания числа атомов фтора и водорода из общего числа атомов, присоединенных к атому углерода. Перед числовым обозначе­нием циклических предельных соединений ставят букву С. Если в молекуле холодильного агента присутствуют атомы брома, к числовому обозначению соответствующего соединения добавляют букву В и цифру, равную числу атомов брома. Например, соединение СНF2Cl имеет по системе ИСО обозна­чение R22. Здесь последняя цифра 2 - число атомов фтора; первая цифра 2 ­число атомов водорода в молекуле плюс единица; третьей цифры нет, так как она на единицу меньше числа атомов углерода в молекуле и поэтому равна нулю. Хладагенты классифицируют по давлениям насыщенного пара и нор­мальным температурам кипения. По давлениям насыщенного пара их подраз­деляют на хладагенты высокого, среднего и низкого давления. К первой груп­пе относят хладагенты, у которых давление пара при температуре 30 ºС со­ставляет 2-7 МПа. Давление хладагентов, входящих во вторую группу, со­ставляет 0,3-2 МПа. У хладагентов третьей группы давление пара при темпе­ратуре 30 ºС ниже 0,3 МПа. По нормальным температурам кипения хладаген­ты также подразделяются на три группы: низкотемпературные (tн < - 60 ºС), средне – температурные (tн = - 60ºС - (- 10 ºС)), высокотемпературные (tн > -10 ºС). Классификации по давлениям и температурам взаимосвязаны. Хладагенты высокого давления являются низкотемпературными рабочими веществами, низкого давления - высокотемпературными. 4.2. Термодинамические свойства [3, с. 17] Термодинамические характеристики рабочих веществ влияют главным образом на температурные режимы работы холодильных машин, эффектив­ность термодинамических циклов, показатели и характеристики холодильных машин и компрессоров. 4.3. Теплофизические свойства [4, с. 58] К теплофизическим свойствам относятся плотность, теплопроводность, вязкость, поверхностное натяжение и некоторые другие свойства. Они влияют на интенсивность тепломассопереноса в аппаратах холодильных машин, а также на сопротивления при движении газообразных и жидких хладагентов в системе. Названные факторы определяют значения необратимых потерь в процессах тепломассопереноса и транспортировки рабочих веществ, что в ко­нечном итоге сказывается на общей энергетической эффективности холо­дильных машин и их конструктивных особенностях. Для тепломассообмена в аппаратах со сравнительно высокой интенсивностью желательно иметь хлада­генты с большими значениями теплопроводности, плотности, теплоты паро­образования и малыми значениями вязкости. На сопротивление при циркуляции рабочих веществ в системе оказывают влияние вязкость и плотность. Массовый расход циркулирующего в системе хладагента зависит от теплоты парообразования и уменьшается с ее ростом. Для уменьшения расхода энергии на перекачивание хладагента в системе же­лательно иметь возможно большие значения теплоты парообразования и наи­меньшие значения вязкости. В качестве общей характеристики свойств рабочих веществ для теплооб­мена при кипении и конденсации могут быть выбраны критические парамет­ры рабочих веществ и их молярная масса. Теплоотдача при кипении и конден­сации возрастает при прочих равных условиях по мере уменьшения Ткр и мо­лярной массы и уменьшается с ростом Ркр при кипении и с понижением Ркр при конденсации. 4.4. Химические и физико-химические свойства [4, с. 59] Химическая стабильность хладагентов характеризуется температурой разложения, воспламеняемостью и взрывоопасностью. Температуры разложе­ния применяемых в холодильной технике хладагентов значительно выше тем­ператур, при которых осуществляются термодинамические циклы холодиль­ных машин. При использовании хладонов в регенеративных циклах темпера­тура конца сжатия не превышает 70-100 ºС, при использовании аммиака 150 ºС. Термическая устойчивость хладагентов различна. Аммиак начинает рас­падаться на азот и водород при температуре выше 250 ºС, двуокись углерода- при температуре выше 1500 ºС. Термическая устойчивость хладонов доста­точно высока, однако разложение этих соединений сопровождается образова­нием хлористого и фтористого водорода, а также следов фосгена. Начальная температура разложения хладонов повышается с увеличением содержания фтора в молекуле и зависит от материалов, в контакте с которыми они нахо­дятся. Она выше при контакте с никелем и высоколегированными сталями и уменьшается в присутствии углеродистых сталей. Хладагент R12 в присутст­вии железа, цинка, дюралюминия, меди начинает разлагаться при 410-430 ºС, в присутствии свинца - при 330 ºС, хладагент R22 в присутствии железа ­при 550ºС. На основании анализа опубликованных данных можно заключить, что относительная термическая стойкость хладонов уменьшается в следующем порядке R11 < R21 < R113 < R22 < R12 < R114 < R115 < RЗ18С < R13 < R14. Хладагенты R14, R318C, R218, R846 термически очень устойчивы, распада­ются только при температуре красного каления. Наименее устойчивы к влия­нию высоких температур бромированные углеводороды. В табл. 3.1 приведе­ны данные по рекомендуемым допустимым температурам применения от­дельных хладонов в зависимости от контактирующих металлов и сплавов. Таблица 3.1 Температура (ºC) применения хладонов в контакте с различными металлами Металл Хладоны R11 R12, R21, R22 Углеродистая сталь Медь и медные сплавы Коррозионно-стойкие стали Высоколегированные стали Никель и никелевые сплавы 50 100 50 100 150 150-200 150-200 200 200 200 Термическая устойчивость хладагентов снижается в присутствии смазоч­ных масел. Минеральные масла сильнее влияют на ухудшение термической устойчивости, чем синтетические, применяемые в холодильной технике. Раз­ложение хладагентов оказывает отрицательное влияние на надежность ком­прессоров, продолжительность использования в них масла без замены. Хладагенты обладают различной степенью воспламеняемости и взрыво­опасности. Аммиак в соединении с воздухом при концентрациях 16-26,8% взрывоопасен и воспламеняем. Наибольшей взрывоопасностью характеризу­ются этан, этилен, пропан и бутан. Так, с точки зрения воспламеняемости до­пустимая норма содержания в воздухе этана и пропана не должна превышать 40 г/м³, этилена - 32 г/м³. Взрывоопасность и воспламеняемость хладонов заметно снижается с уменьшением числа атомов водорода в молекуле и воз­растанием числа атомов хлора, фтора и, особенно, брома. Не воспламеняются и не взрывоопасны двуокись углерода, R22, R23, R123, R124, R125, R134, R134a. 5.ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫБРАННЫХ ХЛАДАГЕНТОВ ТЕРМОКАМЕРЫ 5.1. Хладагент R22 [7, с. 51] Химическая формула CF2ClH (дифторхлорметан). Это бесцветный, негорючий и невзрывоопасный газ со слабым запахом трихлормeтaна (хлоро-форма); более ядовит, чем R12. Молекулярная масса хладагента 86,46 г/моль, температура кипения при атмосферном давлении -40,85 ºС, температура плавления -157,4 ºС, кри­тическая температура 96,13 ºС критическое давление 4,98 МПа и критическая плотность 512,8 кг/м³. Хладагент R22 слабо растворяется в воде, объемная доля влаги в нем не должна превышать 0,0025 %. Массовая растворимость R22 в воде при парци­альном давлении 0,101 МПа в области температур от 0 до 80 ºС составляет 0,778 - 0,093 %, а воды в R22 в области температур от -40 ºС до 40 ºС соответ­ственно 0,012 - 0,191 %. Коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации на 25 - 30% выше, чем у R12, однако R22 имеет более высокие давление конденсации и температуру на­гнетания (в холодильных машинах). Предельно допустимая концентрация R22 в воздухе 3000 мг/м³ при длительности воздействия 1 час. Термическое разложение при продолжительности контакта 1 - 10 секунд на­чинается в трубке из стали 12Х18Н10Т при 280 ºС, из никеля Н-l при темпе­ратуре 380 ºС. При контакте с пламенем и горячими поверхностями R22 разлагается с обра­зованием высокотоксичных продуктов. Коррозионную стойкость при температуре 50 ºС проявляют стали 12Х13, 14Х17Н2, 12Х18Н9Т, 12Х18НI0Т, 15Х18Н12С4ТЮ; никель Н-2. НП-2; мо­нель-металл НМЖМц28-2,5-1,5;титан В1-1-1М; алюминий АД-l; алюминие­вый сплав АМгб; медь М3; латунь Л90. Полимерные материалы-фторопласты 3, 4, 40, винипласт, полиэтилен, по­лиизобутилен ПБСГ, текстолит Н-l, резина СКФ-32, эбонит 1751, импрегниро­ванный графит, арзамит 5, эпоксидная смола, паронит ПОН, стеклотекcтoлит и фао­лин проявляют стойкость при контакте с R22 при температуре 15 - 30 ºС (сте­пень набухания составляет не более 15% по массе). По сравнению с R12 хладагент R22 хуже растворяется в масле, но легко проникает через неплотности и нейтрален к металлам. для R22 холодильной про­мышленностью выпускаются холодильные масла высокого качества. В холодильных установках, работающих на R22, необходимо использо-вать ми­неральные или алкилбензольные масла. Хладагент R22 при меняют для низких температур до -40 ºС в односту-пенчатых или до -60 ºС в двухступенчатых холодильных машинах; в промыш-ленных и бытовых кондиционерах; в качестве компонента смесевых хладагентов и порообразователя при получении пенопластов. Транспортируют хладагент R22 любым видом транспорта, заливают его в бал­лоны, контейнеры и другие сосуды, рассчитанные на давление 2 МПа. Норма за­полнения 1 кг/дм³ вместимости сосуда. Хранят R22 в складских помещениях с защитой от солнечных лучей. Но вследствие высокой озоно-активности ODP = 0,055 и GWP = 1700 его выпуск должен быть прекращен к 2030 г. 5.2. Хладагент R23 [7, с. 82] Химическая формула СFзН (фтороформ). Хладагент представляет собой бес­цветный негорючий газ с молекулярной массой 70,01 г/моль, температура кипения при атмосферных условиях - 82,2 ºС, температура плавления -155,15 ºС критическая тем­пература 25,85 ºС, критическое давление 4,82 МПа и крити-ческая плотность 525 кг/м³. Массовая растворимость R23 в воде при парциальном давлении 0,101 МПа в об­ласти температур от 0 ос до 80 ºС составляет 0,242 - 0,029 %. Хладагент R23 при соприкосновении с пламенем и горячими поверх-ностями раз­лагается с образованием высокотоксичных продуктов. Хладагент R23 обладает терми­ческой стабильностью при контакте с металлами: сталью 12XI9Н10T, никелем Н-l при продолжительности контакта 1 - 10 секунд терми-ческое разложение происходит соот­ветственно при 650 ºС и 580 ºС. При контакте с R23 коррозионной стойкостью при температуре 50 ºС обладают мeтaллы: Ст З, Ст 40Х13,12Х18НI0Т, 10ХI7Н1ЗМ2Т, алюминий и его сплавы АД1, АДМ, Д16, АМгб, АМц, припои ПОС-61 ПСр70 (скорость коррозии составляет не бо­лее 0,004 мм/год); медь М1 (скорость коррозии 0,05мм/год). Полимерные материалы - фторопласт 4, резины ИРП-1118, ИРП-204З при темпе­ратуре 50 ºС проявляют стойкость при взаимодействии с R2З (набухание по массе не более 15 %). Хладагент высокого давления R23 применяется в холодильных системах (кас­кадные холодильные установки) для получения температур до -100 ºС. Транспортируют хладагент R23 любым видом транспорта, заливают его в баллоны, рассчитанные на давление 10 и 15МПа, норма заполнения 0,5 кг/дм³ (при давлении 15 МПа). 6. ПОДБОР ОБОРУДОВAНИЯ 6.1. Расчет теплопритоков Расчет теплопритоков состоит в последовательном учете количества теп­лоты, поступающей в охлаждаемую емкость от каждого источника теплоты, которые могут оказать влияние на установление и поддержание заданного те­плового режима в охлаждаемом объекте. Конечной целью расчета теплопритоков является нахождение для охлаж­даемой емкости производительности охлаждающих приборов, достаточной для отвода всей поступившей теплоты и поддержания тем самым требуемых параметров воздушной среды внутри этой емкости. В установившемся состоянии в охлаждаемую емкость будут проникать, и возникать внутри аппарата теплопритоки: от окружающей среды Q, вызван­ный проникновением теплоты через ограждения, от груза при холодильной обработ-ке и от работающего вентилятора. 6.1.1. Теплоприток от окружающей среды Теплоприток от окружающей среды через ограждения охлаждаемой ка­меры возникает под влиянием разности температур: Q1= К·F·(Тн - Твн), (6.1) где К - коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м²·К); F - площадь теплопередающей поверхности ограждения, м²; Тн и Твн - температура воздуха с наружной стороны ограждения и в охлаждаемой камере, К. F = (0,68·0,588·2)+(0,588·0,49·2)+(0,68·0,49·2)=2,04 м². , [8, с.168] (6.2) где αн и αвн – коэффициент теплоотдачи от воздуха к наружной и внут-ренней поверхности ограждения, Вт/(м²·К); δ – толщины слоев ограждения (принимаются по рекомендациям 000 «Термотехника»), м; λ – теплопроводность соответствующих слоев ограждения, Вт/(м·К). αн = 9 Вт/( м²·К); αвн = 70 Вт/( м²·К) [8, с.147]. λуг.ст = 46,5 Вт/( м·К); λnенопласт = 0,047 Вт/( м·К); λстекловата = 0,07 Вт/( м·К); λн.ст=17,5 Вт/( м·К) [8, с.529]. Вт/(м²·К) Q1= 0,327·2,05·(298 - 213)=56,7 Вт. 6.1.2. Теплоприток от груза Q2 = G·с·(Тн – Тк)/ τохл, (6.3) где G = 22 кг - масса охлаждаемого груза за цикл; с = 500 Дж/(кг·К) – теплоемкость груза (стали) [8, с.528]; Тн = 298 К и Тк = 213 К – начальная и конечная температура груза; τохл = 20 мин. - время охлаждения груза от Тн до Тк. Q2 = 22·500·(298 - 213)/(20·60) = 0,779 кВт. 6.1.3. Теплоприток от работающего в камере вентилятора Двигатель расположен вне охлаждаемого контура, следовательно к воз-духу будет подведена теплота, эквивалентная полезной работе механизмов, установленных в камере. Q3 = Nдв·ηдв , (6.4) где Nдв = 40 Вт – мощность электродвигателя; ηдв = 0,9 – коэффициент полезного действия двигателя. Q3 = 40·0,9 = 36 Вт Общая тепловая нагрузка на охлаждающие устройства и компрессоры: Q = Ql + Q2 + Q3 = 0,057 + 0,779 + 0,036 =0,872 кВт. 6.2. Расчет испарителя Испаритель - это теплообменный аппа­рат, в котором хладагент кипит в результа­те отвода теплоты от охлаждаемого объек­та. В испарителе хладагент, поступающий из терморегулирующего вентиля или капилляр­ной трубки, кипит, а образующийся пар пе­регревается. По способу движения хладаген­та испарители со свободным движением воз­духа могут быть сухие, затопленные и ком­бинированные. В сухих испарителях хлад­агент подается сверху, а отводится снизу, у затопленных - наоборот. Наибольшее рас­пространение получили сухие испарители, что обусловлено лучшим возвратом масла и меньшим количеством хладагента, требуе­мого для заполнения системы. По конструкции испарители разделяют на ребристотрубные (ИРТ и ИРСН), листотруб­ные (ИЛТ) и гладкотрубные (ИГТ), а также аккумуляционные плиты-испарители. Ребристотрубные испарители состоят из соединенных оребренных труб; листотруб­ные - из листов с каналами для прохождения хладагента, соединенных сваркой; гладко­трубные - из труб, соединенных в виде зме­евиков [9, с.233]. Исходные данные: Размеры камеры 680х490х588 Объем камеры, м³ 0,195 Температура кипения рабочего тела в аппарате Т0, К 203 Рабочее тело Фреон-23 Температура воздуха внутри камеры: -начальная Т1, К 298 -конечная Т2 , К 213 Время охлаждения от Т1 до Т2 τохл , мин 20 Скорость воздуха ω, м/с 3 Масса охлаждаемого груза за цикл G, кг 22 6.2.1. Предполагается, что испаритель будет смонтирован из медных труб с насадными пластинчатыми ребрами . Расположение труб в пучке коридорное. Наружный диаметр трубы dн, м 0,012 Внутренний диаметр трубы dвн, м 0,01 Высота ребер h, м 0,012 Ширина пластины B, м 0,036 Высота пластины H. м 0,036 Шаг ребер u, м 0,009 Толщина ребер δр, м 0,0005 Шаг труб по фронту S1, м 0,036 Степень оребрения , [10, с.337] (6.5) где Fр – поверхность ребер м²/м [10, с.338] (6.6) Fмр – поверхность межреберных участков м²/м [10, с.338] (6.7) Fвн – внутренняя поверхность трубы м²/м 6.2.2. Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, отнесенный к по-верхности оребренных труб , [10, с.338] (6.8) При скорости воздуха в узком (живом) сечении ω=3 м/с , [10, с.338] (6.9) где ν = 10,633·10-6 м²/с – коэффициент кинематической вязкости воздуха при Тв,ср = 240,8 К [11, с.14]. Для коридорного пучка коэффициенты, входящие в уравнение имеют значения: С = 0,116, m = 0,72. Тогда Вт/(м·К), [10, с.338] (6.10) где λв = 2,182·10-2 Вт/(м·К) – коэффициент теплопроводности воздуха при Тв,ср = 240,8 К [11, с.14]. 6.2.3. Условный коэффициент теплоотдачи влажного воздуха, учиты-вающий тепломассообмен, термическое сопротивление инея и контакта ребер с трубками. [10, с.339] (6.11) Величина δин/λин зависит от допустимого значения толщины слоя инея δ<=b/2 (где b – расстояние между двумя соседними ребрами) и плотности инея ρин , определяющей коэффициент теплопроводности λин. При ρин = 10−90 кг·с/м² получим: λин =0,1165−2,3213 Вт/(м·К). Терми-ческое сопротивление контакта ребер зависит от степени оребрения β и спо-соба контакта. В расчете принято: δин = 0,004 м; λин = 0,75 Вт/(м·К); Rконт = 4,5·10-3 м²·К/Вт. Вт/(м²·К) 6.2.4. Степень эффективности ребра , [10, с.339] (6.12) где m – комплексная характеристика в случае охлаждения с выпадением инея 1/м; [10, с.339] (6.13) где λр = 203,5 Вт/(м·К) – коэффициент теплопроводности алюминия [8, с. 529] 6.2.5. Условный коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, приве-денный к внутренней поверхности трубы Вт/(м²·К) [10, .339](6.14) 6.2.6. Тепловой поток со стороны воздуха [10, с.339] (6.15) 6.2.7.. Коэффициент теплоотдачи при кипении фреонов внутри труб оп-ределяется по уравнению , [10, с.343] (6.16) где qфр - тепловой поток со стороны холодильного агента; А = 1,04 – коэффициент, зависящий от физических свойств рабочего тела и температуры кипения [10, с.343] кг/с – расход жидкости 6.2.8. Тепловой поток со стороны холодильного агента. Известно, что , [10, с.344] (6.17) где ∆Тфр = Тст,вн – Т0, тогда Преобразуем: ; (6.18) Таблица 6.1 ∆Тфр 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 ∆Т2,5фр 0,178 1,00 2,76 5,66 9,92 15,5 22,8 32 42,95 55,9 70,94 88,18 107,72 129,64 qфр 14,92 83,8 231,3 474,3 831,3 1299 1910,64 2681,6 3599,2 4684,4 5944,7 7389,48 9026,9 10863,8 6.2.9. Средняя логарифмическая разность температур в аппарате К [10, с.344] (6.19) 6.2.10. Удельный тепловой поток в аппарате, отнесенный к внутренней поверхности. Для определения величины qF строятся графические зависимости по уравнениям (6.15) и (6.18). Эти зависимости приведены на рис.6.1. Рис. 6.1 По графику: qF = 9850 Вт/м²; Тст,вн = 209,7 К. 6.2.11. Поверхность теплообмена всего аппарата м² (6.20) 6.2.12. Общая длина трубы в аппарате м (6.21) 6.2.13. Количество трубок в зависимости от ширины камеры (l = 0,36 м): Принимаем n = 8. 6.2.14. Общая высота испарителя м Рассчитанный испаритель Рис. 6.2 6.3. Подбор холодильных компрессоров По тепловой нагрузке и характеристикам холодильного цикла рассчиты­ваем объемную производительность компрессоров и определяем их тип. 6.3.1. Подбор компрессора для нижней ветви каскада Компрессору надо обеспечить массовую производительность G = 0,0045 кг/с для испарителя. Холодопроизводительность компрессора; , (6.22) где Qкам – холодопроизводительность камеры, Qкам = 872 Вт; Акм – работа компрессора на сжатие пара , (6.23) где i1 и i2 – энтальпия пара в начале и в конце сжатия, ,i1 =348 кДж/кг, i2 = 410 кДж/кг. Вт Вт Действительная объемная производительность компрессора: Vкм= G·v1, (6.24) где v1 - удельный объем всасываемого пара в т.1, м³/кг. Vд., 23 = 0,0045·0,125=0,000563 м³/с. Коэффициент подачи (коэффициент наполнения) Этот коэффициент обозначается λ, характеризует отличие массовой производительности реального компрессора от теоретического λ = G/Gт. , [12, с.8] (6.25) где каждый из сомножителей (коэффициентов) характеризуют влияние на производительность соответствующих факторов: - λс – обратного расширения из мертвого пространства; - λдр – дроссельных потерь; - λw – подогрева; - λпл – перетечек; - λп – прочих потерь подачи. В теории поршневых компрессоров принято разделять эти коэффициенты на индикаторные и скрытые. К индикаторным относятся объемный коэффици-ент λс , характеризующий влияние обратного расширения, и коэффициент дрос-селирования λдр , которые можно определить из индикаторной диаграммы. Про-изведение λс· λдр называют также индикаторным коэффициентом наполнения λi. К скрытым (влияние которых не видно из индикаторной диаграммы) относят коэффициенты нагрева λw, плотности λпл и прочих потерь подачи λп. , [12, с.8] (6.26) где с = VМ/VЦ – относительное мертвое пространство, с = 0,015 [1, с.23]; π = Рн/Рвс – отношение давлений нагнетания и всасывания, π = 1,5/0,2 = 7,5; m – условный постоянный показатель политропы обратного расшире-ния, при котором объемные потери от расширения такие же, как и в действии-тельном процессе расширения, m = 0,98 [12, с.8]. Коэффициент λдр для компрессора с правильно сконструированными вса-сывающими трактами и клапанами составляет 0,98-0,995, поэтому при расчете принимают λдр = 1. Коэффициент λw для малых герметичных компрессоров: , [12, с.9] (6.27) где Твс – температура всасываемого пара, Твс = 223 К; Тк – температура конденсации, Тк = 255 К; ∆Т – перегрев пара, ∆Т = 30 К; a,b – постоянные, зависящие от величины компрессора, а = 1,15; b = 0,57 [12, с.9]. Коэффициент λпл характеризует потери производительности из-за перете-кания пара по зазору поршень-цилиндр. λпл = f(π); λпл = 0,96 [12, с.10].. Коэффициент прочих потерь подачи λп учитывает потери производитель-ности, которые не являются органически неизбежными, но на практике иногда могут заметно снижать значение λ . Основные источники их – неплотное или несвоевременное закрытие клапанов. Иногда в коэффициенте λп объединяют учет всех потерь, которые не удается выделить при экспериментальном исследовании или теоретически. λп = 0,7 [12, с.11]. Получаем Теоретический объем, описываемый поршнем: Vт = (Vкм)/λ = 0,000563/0,563=0,001 м³/с. Теоретическая производительность Vт является паспортной характери­стикой компрессоров объемного сжатия и служит основой для их подбора. Теоретическая мощность, потребляемая компрессором: Nт,к = Акм = G·( i2-i1) = 0,0045 ·(410 - 348) = 0,266 кВт. Выбираем компрессор для R23 САJ2464Z; Vт = 0,001м³/с; N = 0,4 кВт 6.3.1. Подбор компрессора для верхней ветви каскада Массовый расход М22 рабочего вещества: , где Q1 - холодопроизводительность, кВт; N1 - мощность компрессора нижнего каскада, кВт. кг/с. Действительная объемная производительность компрессора: Vд, 22 = М22·v5 = 0,0072·0,15 = 0,00105 м³/с. Степень повышения давления Ркон/Ркип =7,7, коэффициент подачи λ =0,58. Теоретический объем, описываемый поршнями: м³/с. Теоретическая мощность, потребляемая компрессором: Nтк = Мк ·( i6-i5) = 0,0072· (765-705)= 0,42 кВт. Выбираем компрессор для R22 САJ2464Z; Vт, 22 =0,002 м³/с; N = 0,50 кВт 6.4. Коммуникации После подбора холодильного оборудования формируют монтажно­техническую схему контура холодильной установки, на основании которой определяют длину коммуникаций, число поворотов, уклонов и других местных сопротивлений. Диаметр трубок приняты: для пара 12х1; для жидкого хладагента 10х1. Материал: медь. 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ КАМЕРЫ Большинство процессов в холодильных установках самоустанавли-вающиеся и поэтому можно было бы обойтись без автоматизации, од­нако в ряде случаев самоустановление режима происходит за пределами допустимых по требованиям без­опасности эксплуатации и т. п. Автоматизация холодильных установок производится с применени­ем приборов и средств автоматизации. Самоустановление режимов холодильной установки позволяет использовать относительно простые си­стемы автомати-зации. Автоматизация холодильных установок позволяет освободить чело­века от непосредственного управления процессом производства холода и обеспечить безопасную работу холодильной установки. К направле­ниям автоматизации холодильных установок относятся автоматически выполняемые функции: контроль, сигнализация, защита, регулирование и управление. 7.1. Автоматический контроль [2, с.270] Автоматический контроль подразумевает дистанционное наблюде­ние за изменением физических величин или запись их численных значений. Корректный выбор объема контролируемых параметров позволя­ет не только фиксировать точность поддержания технологического про­цесса, но и производить выявление причин, вызывающих отклонение параметров процесса от проектного. Контроль параметров холодильной установки может производиться с помощью микропроцессоров или компьютеров. На хладоновых холодильных установках должны контро­лироваться и фиксироваться следующие параметры: - температура охлаждаемой среды в холодильно-технологическом оборудовании; - давление всасывания хладагента в компрессор; - температура и давление кипения хладагента в испарителе; - температура всасывания хладагента в компрессор; - температура и давление нагнетания хладагента компрессором; - температура и давление конденсации хладагента; - температура наружного воздуха; Перечисленный перечень контролируемых параметров является ми­нимальным, который необходим для обеспечения безопасной работы холодильной установки. Число контролируемых параметров требуется существенно больше, если они используются для анализа эффективно­сти работы, в первую очередь, снижения потребления электроэнергии на производство холода и др. 7.2. Автоматическая сигнализация [2, с.271] Автоматическая сигнализация позволяет информировать персонал о включении отдельных элементов холодильной установки, достиже­нии заданных или предельно допустимых значений параметров. Пре­дусматривается звуковая и световая сигнализация. Все большее количество холодильных установок, оснащается вычисли­тельной техникой. На мониторе можно посмотреть информацию о рабо­тающем оборудовании, текущих режимах, а также просмотреть информацию о режиме за предыдущее время: час, сутки, неделю, месяц. Сигнализация предусматривается световая и звуковая. Исполни­тельная сигнализация имеет, как правило, зеленый цвет. Предупреди­тельная сигнализация обозначается желтым цветом и может сопрово­ждаться звонком. Предаварийная сигнализация характеризуется крас­ным световым сигналом и сиреной. 7.3. Автоматическая защита [2, с.272] Автоматическая защита обязательна на всех холодильных установ­ках. Эксплуатация холодильных установок с выключенными прибора­ми защиты не допускается. Защита позволяет не допустить разруше­ния оборудования при отклонениях процессов от нормальной работы, которые могут возникнуть вследствие, например, неисправностей в эле­ментах холодильной установки. На хладоновых холодильных установках должна быть выполнена защита по сле-дующим параметрам: - предельно допустимое давление нагнетания хладагента; - предельно допустимая температура нагнетания хладагента; По решению фирмы-изготовителя оборудования или проектной ор­-ганизации кроме перечисленных видов защит могут быть установлены и другие. Наличие автоматической защиты является обязательным компонен­том всех холодильных установок от бытовых холодильников до круп­ных систем хладоснабжения пищевых предприятий. Эксплуатация холодильных установок, не оснащенных автоматической защитой или с от­ключенными приборами и исполнительными устройствами автоматической защиты, не допускается. Исключение делается на период пуско­наладочных работ, производимых после монтажа или ремонта элемен­тов холодильной установки. Указанные виды работ выполняются спе­циалистами, которые имеют соответствующую подготовку. В соответствии с современными требованиями система автоматической защиты должна фиксировать ситуации, связанные с предаварийными состояния-ми эксплуатируемого оборудования. 7.4. Автоматическое регулирование [2, с.272] Работа малого холодильного оборудования в автоматическом режиме обеспечивается регу­лированием отдельных параметров, в резуль­тате которого достигается оптимальное запол­нение испарителей хладагентом, поддержа­ние в заданных пределах температуры в охлаж­даемом объеме, регулирование относительной влажности воздуха, давления кипения и кон­денсации хладагента, изменение производителъ­ности компрессора в зависимости от нагруз­ки. 7.4.1. Регулирование температуры в охлаждаемом объеме [9, с.463] Наиболее распространенным способом регулирования температуры в охлаждаемом объеме холодильного оборудования, обслу­живаемого отдельным компрессорно -кон­денсаторным агрегатом, является регу­лирование с помощью термореле (рис.7.1). Регулирование температуры в охлаждаемом объеме камеры с помощью термореле испарителя Км – компрессор, ТРВ – вентиль терморегулирующий, И – испаритель, РТ - термореле Рис. 7.1 По достижении нижнего предела заданной температуры в охлаждаемом объеме термо­реле останавливает компрессор. При автома­тической стоянке компрессора за счет внеш­них теплопритоков температура в охлажда­емом объеме повышается до верхнего заданного предела и термореле включает комп­рессор. Следовательно, пуском и остановкой компрессора регулируется его холодопроиз­водительность, а также поддерживается тре­буемая температура в охлаждаемом объеме. С увеличением тепловой нагрузки на холо­дильное оборудование продолжительность ра­боты компрессора увеличивается, а стоянки ­уменьшается. Использование термореле, термобаллон ко­торого расположен непосредс-твенно в охлаж­даемом объеме, позволяет наиболее точно поддерживать температурный режим (особен­но при принудительной циркуляции воздуха) . Следует учитывать, что изменение темпера­туры воздуха в охлаждаемом объеме обуслов­ливает изменение температуры кипения хлада­гента. Большие тепловые нагрузки или слой инея на испарителе приводят к длительной работе компрессора и снижению давления, а также температуры кипения хладагента. Количество хладагента, циркулирующего в системе в единицу времени, уменьшается и ухудшается охлаждение встроенного элект­родвигателя (если обслуживание. холодиль­ного оборудования осуществляется герметич­ным агрегатом). Поэтому в оборудовании с герметичным агрегатом целесообразно приме­нять термореле, термобаллон которого прижат к трубе испарителя В зтом слу­чае термореле контролирует температуру кипения хладагента, а темпе-ратура в охлаждаемом объеме в результате этого поддерживается косвенно. В холодильном оборудовании, которое об­служивается агрегатом с герметичным комп­рессором, температура в охлаждаемом объ­еме обычно регулируется косвенно с помощью реле низкого давления. Оно управляет работой компрессора в зависимости от давления хла­дагента в испарителе (рис.7. 2). Регулирование температуры в охлаждаемом объеме камеры с помощью реле низкого давления Км – компрессор, ТРВ – вентиль терморегулирующий, И – испаритель, РД - реле низкого давления Рис.7. 2 Следует отметить, что при увеличении тепловой нагруз­ки или толщины слоя инея на испарителе коэффициент рабочего времени холодильного агрегата повышается. Этот способ регулирова­ния температуры в охлаждаемом объеме позволяет поддерживать необходимые диапа­зоны давления и температуры кипения хлада­гента в испарителе. 7.4.2. Питание испарителя хладагентом [9, с.465] Эффективная работа испарителя зависит от питания его жидким хладагентом. Недостаточ­ная подача хладагента обусловливает снижение производительности испарителя. Переполнение испарителя жидкостью вызывает залив компрессора, что уменьшает его производительность и может привести к интенсивному уносу мас­ла, а также к гидравлическому удару. Наиболее распространенным прибором для питания испарителя хладагентом для малогo холодильного оборудования является терморе­гулирующий вентиль. Он регулирует подачу хладагента в испаритель в зависимости от пе­регрева пара на выходе из аппарата и давления в нем. Чем больше тепловая нагрузка на испаритель, тем меньше нужна поверхность для получения заданного перегрева пара хлада­гента на выходе из него и тем выше будет производительность испарителя. Применяют терморегулирую­ший вентиль с внутренним уравниванием (рис. 7.3). Питание испарителя хладагентом Рис. 7.3 Терморегулируюший вентиль peaгиpyeт на изменение температуры выходящего из испа­рителя пара хладагента с запаздыванием, что объясняется постепенным изменением темпе­ратур сначала всасывающего трубопровода, затем термобаллона и после этого - темпе­ратуры и давления заполнителя термосистемы. При уменьшении тепловой нагрузки на испа­ритель время запаздывания увеличивается. Запаздывание вызывает импульсную работу терморегулирующего вентиля, поэтому в испа­рителе не обеспечиваются стабильные темпе­ратура и давление кипения хладагента. Если произ-водительность терморегулирующего вен­тиля более чем на 30 % превышает тепловую нагрузку на испаритель, давление хладаген­та в испарителе повышается и компрессор работает, потребляя большее количество энер­гии. В случае стабильной температуры окружающей среды и малоизменяющейся тепло­вой нагрузки на испаритель холодильного оборудования, со встроенным герметичным агрегатом для подачи хладагента можно использовать капиллярную трубку. Так как при авто­матической остановке компрессора давления нагнетания и всасывания почти выравнива­ются, агрегат запускается практически в разгруженном состоянии. Если температура окру­жающей среды существенно повысится, это приведет к повышению давления конденсации, поступлению избыточного количества хладагента в испаритель и попаданию жидкости в компрессор. При значительном понижении температуры окружающей среды заполнение испарителя хладагентом будет недостаточным. 7.4.3. Регулирование давления кипения хладагента [9, с.467] Простой способ регулирования давления в испарителе с помощью реле низ-кого давле­ния, управляющего работой компрессора, рассмотрен выше (см. рис. 7.2). 7.4.4. Регулирование давления конденсации хладагента [9, с.467] Схема автоматизации конденсатора воздуш­ного охлаждения холодильного агрегата, расположенного в машинном отделении, где темпе­ратура воздуха нестабильна, показана на рис. 7.4 Схема автоматизации конденсатора воздушного охлаждения Км – компрессор, Кд – конденсатор, Р – ресивер, Вн – вентилятор, РД - реле давления, Жз – жалюзи, Д – электродвигатель привода жалюзи Рис. 7.4 Перед конденсатором установлены регулируемые жалюзи Жз с приводом от элект­родвигателя Д. Воздух проходит через жалюзи и просасывается через конденсатор с помощью вентилятора Вн. При повышении температуры воздуха перед жалюзи и давления в конденса­торе контакты репе давления РД замыкаются, включая электродвигатель Д. Жалюзи медлен­но открываются, через конденсатор проходит большое количество воздуха, и он интенсивно охлаждается. Давление конденсации хладагента снижается. При уменьшении давления на величину дифференциала реле давления его контакты размыкаются. Электродвига­тель Д останавливается, фиксируя открытое положение жалюзи. Таким образом поддер­живаются стабильные значения давления кон­денсации. 7.4.5. Регулирование производительности компрессора [9, с.472] Регулирование производительности комп­рессора необходимо для приведения её в соот­ветствие с тепловой нагрузкой на испарители холодиль-ного оборудования. В малых комп­рессорах применять встроенные устройства для регулирования производительности (например, для отжима всасывающих клапанов) нецелесообразно по конструктивным сообра­жениям (конструкция компрессора услож­няется, его надежность снижается) . Для регулирования производителъности малых компрессоров используют, как правило, внешние устройства. Наиболее распростра­нено регулирование производителъности комп­рессора способом пуска и остановки с по­мощью реле температуры или реле низкого давления (см. рис. 7.2). 7.5.Приборы и средства автоматического регулирования [9, с.483] В малом холодильном оборудовании приме­няют приборы и средства автоматического регулирования и защиты. Приборы восприни­мают регулируемые параметры: температуру, разность температур, давление, время и др. По источнику энергии приборы могут быть прямого и косвенного действия (с использованием внешней энергии), с двухпозиционным или пропорциональным регулированием. Двухпозиционные приборы и средства автоматического регулирования (реле температу­ры, давления, электромаг-нитные вентили и пр.) находятся в одном из двух положений (замкнуто или разомкнуто, открыто или за­крыто, включено или. выключено). Пропор­циональные приборы (термо- и водорегули­рующие вентили) плавно регулируют параметр от минимального до максимального значения, или наоборот. Приборы автоматического регулирования поддерживают заданное значение регулируемо­го параметра (заполнение испарителя хлад­агентом, регулирование температуры охлаждаемой среды, давления кипения и конденсации хладагента) . Приборы автоматической защиты предназначены для остановки компрессора при чрез­мерном повышении давления хладагента в линии нагнетания и опасном понижении давления в линии всасывания. 7.5.1. Терморегулирующие вентили [9, с.483] Терморегулирующие вентили являются регуляторами прямого действия и предназна­чены для автоматической подачи хладагента в испаритель холодильной машины в зави­симости от перегрева выходящих из испари­теля паров и давления в испарителе. В терморегулирующих вентилях хладагент дросселируется с давления конденсации до давления кипения. Терморегулирующие вентили могут быть с внутренним и внешним уравниванием. В ТРВ с внутренним уравниванием типа 22ТРВ-В термочувствительная система за­полнена хладагентом R22. Термочувстви­тельная система терморегулирующих вентиля типа 22ТРВ-В (рис. 7.5) состоит из термобаллона, капиллярной трубки и полости над мембраной. При увеличении темпера­туры перегрева выходящих из испарителя паров хладагента повышается температура термобаллона, прикрепленного к всасываю­щему трубопроводу у испарителя, и давление в термочувствительной системе терморегули­рующего вентиля повышается. Мембрана, прогибаясь вниз, нажимает на толкатели, кото­рые воздействуют на иглодержатель, сжи­мают пружины и опускают иглу. Проходное сечение между иглой и седлом увеличивается. Хладагент поступает в терморегулирующий вентиль через фильтр, размещенный во вход­ном штуцере, дросселируется в клапане, заполняет корпус и пространство под мембра­ной. Через выходной штуцер хладагент попа­дает в испаритель. При открытии клапана игла опускается до тех пор, пока давление хладагента, заполняющего термочувствитель­ную систему и воздействующего на мембрану сверху, не будет равно сумме давлений хладагента в корпусе ТРВ и пружины. При остановке компрессора движение па­ров хладагента в испарителе прекратится, температура на выходе из испарителя уравня­ется с температурой кипения хладагента, т. е. перегрев исчезнет. Усилием пружины клапан закроется. Прибор настраивают винтом, кото­рый ввернут в ходовую гайку. Винт уплотнен сальником. Колпачковая гайка предохраняет от возможных утечек хладагента через саль­ник и препятствует обмерзанию сальника. Терморегулирующий вентиль с внутренним уравниванием типа 22ТРВ-В 1 – винт настройки, 2 – втулка – гайка, 3 – пружина, 4 – игла клапана, 5 – иглодержатель, 6 – седло клапана, 7 – корпус, 8 – фильтр, 9 – входной шту-цер, 10 – мембрана, 11 – трубка капиллярная, 12 – головка вентиля, 13 – толкатель, 14 – штуцер выходной, 15 – термобаллон, 16 – сальник винта наст-ройки, 17 - колпачок Рис. 7.5 7.5.2. Реле температуры [9, с.488] Реле температуры применяют в малом хо­лодильном оборудовании для регулирования температуры в охлаждаемом объеме посредст­вом включения и выключения исполнитель­ного механизма (например, электромагнит­ного вентиля перед терморегулирующим вентилем) или пуска и остановки компрессора. Реле температуры типа ТР. Термочувстви­тельная система реле (рис. 7.6) состоит из термобаллона, соединительного капилляра, сильфона и кожуха сильфона. Реле температуры ТР-1-02Х а – схема, б – конструкция; 1 – корпус, 2 – винт настройки дифференциа-ла, 3,7 – гайки, 4 – шкала, 5 – пластина стопорная, 6- винт настройки диапазона, 8 – пружина основная, 9,13,17 – рычаги, 10 – пластина контактная, 11,16 – винты юстировочные, 12 – пружина перикидная, 14,15 – контакты, 18 – пружи-на, 19 – сильфон, 20 – шток, 21 – пружина сильфона, 22 – коромысло, 23 – пружина дифференциала, 24 – термобаллон, 25 – трубка капиллярная Рис. 7.6 В термочувст­вительной системе находится наполнитель. Термобаллон, помещенный в контролируемую среду, воспринимает ее температуру, от кото­рой зависит давление наполнителя. Действую­щая на сильфон сила давления наполнителя уравновешивается силой упругой деформации основной пружины. При повышении температу­ры среды. давление в термочувcтвителъной системе увеличивается, сильфон сжимается, шток перемещается вверх, преодолевает сопро­тивление пружины и поворачивает угловой рычаг 17 по часовой стрелке вокруг оси. Ког­да свободный конец горизонтальной части уг­лового рычага 17 доходит до верхнего упора в окне коромысла, из него начинает воздейст­вовать пружина дифференциала. Если темпе­ратура повышается на величину установлен­ного дифференциала, то рычаг 17, преодолев усилие пружины дифференциала, с помощью рычага 9 и пружины 12 поворачивает переклю­чающий рычаг 13 контактной группы. В мо­мент, когда геометрическая ось пружины пе­ресекает геометрическую ось переключающего рычага, происходит резкий переброс контакт­ной пластины, в результате контакт замы­кается. Перекидная пружина верхним концом шар­нирно соединена с вертикальной частью угло­вого рычага 9, нижним - с ушком рычага 13, который усилием этой пружины удерживается на ножевых опорах подвижной контактной пластины. При понижении температуры контролируе­мой среды давление в термочувствительной системе уменьшается, подвижной конец силь­фона со штоком под действием пружин 8 и 23 перемещается вниз. При этом рычаг 17 поворачивается против часовой стрелки, а ко­ромысло - по часовой стрелке. Когда коромысло доходит до упора, действие пружины 23 на рычаг 17 прекращается, и в дальнейшем рычаг 17 перемещается под воздействием ос­новной пружины. В момент, когда оси пере­кидной пружины и контактной пластины сов­падут, контакты резко размыкаются. Пружина снабжена гайкой (пробкой) и вин­том настройки диапазона, который выполняет роль задатчика давления срабатывания. Ука­затель. связанный с гайкой задатчика, пока­зывает на шкале давление размыкания кон­такта. Дифференциал настраивают с помощью винта. Величину дифферен-циала определяют по шкале. В реле температуры степень сжатия основ­ной пружины 8 определяет температуру размы­кания контакта, а степень растяжения пружины 23 - величину дифференциала. У реле температуры контакты размыкаются при понижении контролируемой температуры до величины уставки, определяемой по. шкале диапазона, а замыкаются при повышении этой температуры на величину установленного диф­ференциала. 7.5.3. Реле и регуляторы давления [9, с.493] В малом холодильном оборудовании при отклонении давления от заданных значений применяют приборы регулирования давления и защиты: реле давления, регуляторы давления конденсации хладагента. 7.5.3.1. Реле давления [9, с.493] Реле низкого давления пред­назначены для двухпозиционного регули-рова­ния давления хладагента в испарителе или за­щиты компрессора от пониженного давления в линии всасывания. Реле высокого давления осуществляет защиту компрессора от повы­шенного давления хладагента в линии нагнетания. Двухблочное репе давления Д220-11 общепромышленного ис­полнения. Его применяют для одновре­менного контроля давления R22 в линиях вса­сывания н нагнетания холодильной машины. Схема и конструкция прибора показаны на рис. 7.7. Блок низкого давления состоит из сильфона 2, заключенного в кожух 1, штока 3, двух шарнирно связанных рычагов 23 и 24, взаимное расположение которых опре­деляется винтом 17, а также пружинами узла настройки давления размыкания и дифферен­циала. В состав блока высокого давления вхо­дят сильфон 22, помещенный в кожух 21, рычаг 19 и механизм настройки давления размыкания. Двухблочное репе давления Д220-11 а – схема, б – конструкция; 1,21 – кожухи сильфонов; 2,22 – сильфоны, 3,20 – штоки сильфонов, 4 – упор, 5 – коромысло, 6 – пружина дифференциала блока низкого давления, 7 – винт настройки дифференциала блока низкого давления, 8 – шкала дифференциала блока низкого давления, 9 – шкала диапазона блока низкого давления, 10 - винт настройки диапазона блока низкого давления, 11 – пружина, 12 – кнопка, 13 – микропереключатель, 14 – винт настройки диапазона блока высокого давления, 15 – шкала блока высо-кого давления, 16 – пружина блока низкого давления основная, 17 – винт юс-тировочный, 18 - пружина блока высокого давления основная, 19,23,24 – рыча-ги, 25 – пружина штока Рис. 7.7 В полость между кожухами и сильфонами подаются контролируемые низкое и высокое давления. При понижении давления всасыва­ния сильфон 2 растягивается, подвижное дно его со штоком 3 перемешается вниз, рычаги 23 и 24 под действием пружины 16 поворачи­ваются против часовой стрелки. Рычаг 23 освобождает кнопку быстродействующего микропереключателя, и контакт размыкается. При движении рычага 24 против часовой стрелки коромысло поворачивается по часо­вой стрелке до упора. В дальнейшем рычаг 24 свободно перемещается в окне коромысла, и, таким образом, к моменту размыкания контактов пружина дифференциала перестает работать. Если давление всасывания повышает­ся, то сильфон 2 сжимается, шток 3 переме­щается вверх, преодолевает сопротивление ос­новной пружины и поворачивает рычаги 23 и 24 по часовой стрелке. Рычаг 24, дойдя до упора в окне рычага дифференциала, включает в работу пружину. При этом рычаг 23, преодолев усилие пружины 6, нажимает кнопку микропереключателя и замыкает контакт. Дав­ление, при котором контакт размыкается, оп­ределяется усилием сжатия пружины 16,а величина дифференциала - усилием растяжения пружины 6. При повышении давления нагнетания сильфон 22 сжимается, его подвижное дно вместе со штоком 20 преодолевает усилие основной пружины 18, перемещается вверх и поворачивает рычаг 19 против часовой стрелки. Если контакт реле замкнут (давление блока низкого давления выше ус­тановленного), то вертикальное плечо рычага­ 19, преодолев усилие пружины 11, отжима­ет рычаг 23 от микропереключателя. Контакты реле размыкаются. При понижении давления нагнетания ры­чаг 19 под действием основной пружины 18 поворачивается по часовой стрелке. При этом рычаг 23 с помощью пружины 11 занимает первоначальное положение и контакт замы­кается. Настройку давления срабатывания блока низкого давления осущест-вляют, изменяя на­тяжение пружины 16 винтом 10. При враще­нии винта гайки, на которой жестко закреплен верхний конец пружины 16, изменяется ее на­тяжение, что приводит к размыканию кон­такта при другом давлении. Изменяя растя­жение пружины 6 винтом 7, дифференциал блока низкого давления устанавливают по шкале. Настройку давления срабатывания блока высокого давления осуществляют винтом, при вращении которого изменяется натяжение пру­жины. Стрелка шкалы указывает на давление размыкания контакта блока высокого давле­ния. Дифференциал блока высокого давления не регулируется. Таким образом, контакты реле размыкаются при понижении контролируемого давления блока низкого давления и повыше­нии контролируемого давления блока высоко­го давления, а замыкаются при увеличении контролируемого давления блока низкого давления и уменьшении контролируемого дав­ления блока высокого давления на величину дифференциала. 7 .5.3.2. Регуляторы давления конденсации [9, с.500] Регуля­торы давления конденсации применяют для стабилизации давления конденсации хладаген­та в холодильных установках с наружным рас­лоложением воздушного конденсатора: Регулятор давления конденсации типа HP фирмы "Алко контролз" (США) показан на рис. 7.8. Регулятор давления конденсации типа HP (США) 1 – головка, 2 – грибок, 3 – мембрана, 4 – корпус, 5 – щиток, 6,10,12 – штуцера, 7 – седло верхнее, 8 – клапан, 9 – седло нижнее, 11 - пружина Рис. 7.8 Сверху головка регулятора запол­нена инертным газом. От остальной части при­бора она отделена мембраной. Шток соединяет грибок, опирающийся на мембрану, с клапа­ном, на который снизу воздействует пружина. Штуцер 6 соединен с нагнетательной линией, штуцер 12 - с ресивером, штуцер 10 - с жидкостным патрубком конденсатора воздушно­го охлаждения. В теплое время года, когда давление кон­денсации достаточно высоко, клапан находит­ся в верхнем положении, закрывая верхнее седло, так как пар хладагента из линии нагнетания, поступающий в прибор через штуцер 6 и через отверстие в корпусе, отжимает мем­брану вверх. Жидкий хладагент из конденсатора через штуцер 10, зазор между нижним седлом и клапаном и через штуцер 12 посту­пает в ресивер. В холодное время года, когда давление конденсации снижается, под воздействием давления инертного газа в головке мембрана прогибается вниз, шток опускается и клапан перекрывает нижнее седло, при этом верхнее седло открывается. Циркуляция жидкого хлад­агента из конденсатора в ресивер прекращает­ся, а с нагнетательной линии пар хладагента через штуцер 6, верхнее седло и штуцер 12 прибора поступает в ресивер, поднимая в нем давление хладагента до номинального значе­ния (1,34+_0,09 МПа для R22). 7.5.3.3. Электромагнитные вентили [9, с.502] Электромагнитный вентиль относится к ав­томатической запорной арматуре двухпозици­онного действия с электрическим дистанционным управлением. Вентиль предназначен для автоматического открывания и закрывания прохода в трубопроводах хладагента, xладо­носителя и воды. Различают три конструктивные схемы элек­тромагнитных вентилей: прямого, непрямого и комбинированного действия. В вентиле пря­мого действия клапан перемешается непо­средственно электромагнитом. Вентиль непря­мого действия имеет два клапана: основной и вспомогательный. Вспомогательный клапан приводится в действие непосредственно элект­ромагнитом, а основной клапан открывается за счет разности давлений среды на мембрану. Открытие основного клапана в вентиле комби­нированного действия осуществляется в ре­зультате совместного действия электромагнита и мембранного привода. Электромагнитный вентиль комбинированного действия. Катушка элек-тромагнита (рис. 7.9) надета на герметичную трубку из немагнитного материала, закрытую стальной пробкой ("стопом"). Электромагнитный вентиль комбинированного действия 13С803р 1 – катушка электромагнита, 2 – сердечник, 3 – клапан вспомогательный, 4 – мембрана, 5 – клапан основной, 6 – гильза, 7 – клемма, 8 – ввод сальнико-вый электрокабеля Рис. 7.9 Мембрана разделяет внутреннюю полость вентиля на две части: подмембранную и надмембранную. Если ка­тушка электромагнита отключена, то сердеч­ник находится в нижнем положении, вспомогательный клапан перекрывает малое седло. Подаваемая через калиброванное, отверстие рабочая среда заполняет надмембранную полость. Основной клапан прижимается к боль­шому седлу вследствие перепада давлений на входе и выходе из вентиля. При подаче тока в катушку электромагни­та сердечник притягивается к пробке "Стоп" и вспомогательный клапан (сервоклапан) от­крывает малое седло. Давление в надмембран­ной полости понижается. Одновременно сер­дечник выступом захватывает заплечики основного клапана. на который воздействуют силы давления на мембрану и тяги электро­магнита. При соответствующем подборе сечения калиброванного отверстия во вспомога­тельном клапане основной клапан плавно от­крывается. После отключения электромагнита сердеч­ник перекрывает малое седло, а основной клапан под действием сил тяжести и пружины опускается на большое седло. В электромагнитном вентиле мембрана и электромагнит оказывают комбинированное воздействие на клапан, в результате чего кла­пан открывается при нулевом перепаде давлений на входе и выходе из вентиля. 7.6. Автоматическое управление [2, с.275] Автоматическое управление позволяет выполнять пуск или останов­ку компрессоров (насосов, вентиляторов), замену работающих элемен­тов оборудования резервными, производить вспомогательные операции (оттаивание инея с поверхности воздухоохладителя или батарей, выпуск воздуха). Управление работой холодильных камер производится с помощью мик­ропроцессорных пультов (рис. 7.10), а для холодильных установок, где возможно несанкционирован-ное вмешательство лиц, не имеющих отношение к данному технологическому процессу, предусматриваются на­стройка и управление холодильной установкой с помощью пульта ди­станционного управления (рис. 7.11). Пульт управления холодильной установкой Рис. 7.10 Пульт дистанционного управления холодильной установкой Рис. 7.11 8.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА 8.1. Введение к разделу Объектом для проектирования является испытательная термокамера. Термо­камера предназначена для испытания изделий промышленности на воздействие отрицательных и положительных температур в определенных диапазонах, с заданной скоростью их изменения и определенной точностью поддержания. В проекте показана целесообразность применения термокамеры ТТ -60/80­- 195ТК в связи с усовершенствованием процесса, оборудования и автоматиза­ции, что позволяет сэкономить на электроэнергии и получить заданную темпера­туру в короткое время. В экономической части дипломного проекта приведены расчеты экономи- ческой эффективности термокамеры. 8.2. Стоимость изготовления термокамеры Таблица 8.1 Сравнительная стоимость термокамеры Статьи Стоимость термокамеры ТХ-210, руб. Стоимость термокамеры ТТ-60/80-195ТК (проектной), руб. Материалы Изготовление Сборка, испытание 34130 162850 70590 31750 151430 63220 Итого 267570 246400 Расчет капитальных затрат термокамеры ТХ-210 Расчет стоимости базовой установки. - транспортные расходы - 5% 267570·0,05=13378,5 руб.; - заготовительно-складские расходы - 3 % 267570·0,03=8027,1 руб.; - стоимость запасных частей - 1 % 267570·0,01=2675,7 руб.; - стоимость монтажа оборудования - 1 % 267570·0,01 =2675,7 руб.; - затраты на электромонтажные работы - 0,1% 267570·0,001=267,6 руб. Общая стоимость установки: Стт. кап. = 267570+13378,5+8027,1+2675,7+2675,7+267,6 = 294594,6 руб. Расчет капитальных затрат термокамеры ТТ-60/80-195ТК Расчет стоимости проектируемой установки. Стоимость изготовления испытательной термокамеры ТТ -60/80-195ТК По данным 000 «Термотехника», составляет 246400 руб. Для расчета итоговой стоимости определяем: - транспортные расходы - 5% 246400·0,05=12320 руб.; - заготовительно-складские расходы - 3% 246400·0,03=8027,1 руб.; - стоимость запасных частей - 1 % 246400·0,01=2464 руб.; - стоимость монтажа оборудования - 1 % 246400·0,01=2464 руб.; - затраты на электромонтажные работы - 0,1% 246400·0,001=246,4 руб. Общая стоимость установки: Стх. кап = 246400+ 12320+8027,1+2464+2464+246,4 = 271921,5 руб. 8.3. Организация планово-предупредигельного ремонта [ 13, с. 7] 8.3.1 Ремонтные нормативы Таблица 8.2 Наименование Вид ремонта Периодичность, час. Простой, час. Трудоемкость, чел-час Испытательная термокамера ТР 1440 20 30 КР 17280 30 50 8.3.2 Структура ремонтного цикла Количество КР (Nкp) за ремонтный цикл определяется по формуле: , где Ц - длительность ремонтного цикла, ч; Мкр - межремонтный период между двумя очередными капитальными ремон­тами, ч; Количество текущих ремонтов (Nтp) за ремонтный цикл определяется по формуле: , Мтр - межремонтный период между двумя очередными текущими ремонтами, ч; Таблица 8.3 Количество ремонтов разного вида за ремонтный цикл Оборудование Количество ремонтов за ремонтный цикл КР ТР Термокамера 1 11 8.3.3 Расчет годового объема ремонтных работ[ 13, с. 7] Количество соответствующих ремонтов определяется по формуле: , где Qоб - количество единиц однотипного оборудования; Qоб = 1; Кэ - коэффициент использования оборудования по календарному времени; Тк - календарное время в году, Тк = 8760 ч; Nрц - число ремонтов, соответствующего вида за ремонтный цикл. , где Тном = 8760 ч; Тэфф = Т – Трем ; Трем = 11·20+ 1·30 = 250 ч, где 11- количество текущих ремонтов; 20 ч - простой на ТР (периодичность 1440 ч.); 1 - количество капитальных ремонтов; 30 - простой на КР (периодичность 17280 ч); Тэфф = 8760 - 250 = 8510 ч. , . 8.3.4 Годовые трудозатраты на ремонты соответствующего вида для термокамеры Годовые трудозатраты на ремонты соответствующего вида для термокамеры определяются в чел-час. (Тр,год) по формуле: Тр,год = n·Тр, где Тр -нормативная трудоемкость одного ремонта соответствующего вида, чел-час. Расчет объема трудозатрат по видам ремонтных работ следует проводить, используя данные табл. 8.4 о структуре трудозатрат на ремонт. Таблица.8.4 Структура трудозатрат на ремонт оборудования, % Виды ремонта Виды ремонта Слесар. Станочн. Прочие Капит. 70 20 10 Текущий 80 10 10 Результаты расчета годового объема ремонтных работ на средний год для термокамеры приведены в табл. 8.5. Таблица.8.5 Общий объем ремонтных работ Вид ремонта Трудо- емкость одного ремонта Количество ремонтов в год Общий объем ремонтных работ В том числе слесарных станочных прочие ТР 30 11 330 264 33 33 КР 50 1 50 35 10 5 Итого 12 380 299 43 38 8.3.5 Расчет численности ремонтных рабочих [13, с. 8] На основании определенных общих трудозатрат на проведение ремонтов и ТО в чел-час. среднего разряда работ рассчитывается списочный состав рабочих, за­нятых техническим обслуживанием и ремонтом оборудования. Численность ре­монтного персонала (Р) рассчитывается по формуле: , где Тр,год - годовые трудозатраты на ремонт оборудования, чел-ч; Ф - годовой фонд рабочего времени одного рабочего, ч; Кц - коэффициент, учитывающий объем работ, выполняемых централизо-ванным методом (принимаем 0,95); Коп - коэффициент, учитывающий участие в ремонте обслуживающего пер­- сонала (принимаем 0,8); Кнп - коэффициент, учитывающий проведение непланового ремонта (принимаем 1,1); Кв - коэффициент, учитывающий перевыполнение нормированных заданий (принимаем 1,05); Годовой фонд времени ремонтного рабочего (Ф) определяется на основе ба­ланса рабочего времени, который зависит от режима работы, числа планируемых невыходов по различным причинам, продолжительности рабочего дня. Таблица 8.6 Баланс рабочего времени одного рабочего в год. Статья баланса Прерывная пятидневная неделя Одна смена 8 часов 1. Календарное число дней в году 365 Выходные и нерабочие дни согласно графику сменности 105 Праздничные дни 12 2. Номинальный фонд рабочего времени 248 3. Невыходы на работу по причинам: Очередные и дополнительные отпуска 28 Болезни 6 Выполнение государственных и общественных обязанностей 2 Итого невыходов, дни 36 4. Действительный фонд рабочего времени, дни 212 5. Действительный фонд рабочего времени, ч 1696 чел., чел. 8.3.6 Расчет количества станков и станочников. На основе фонда времени станка (Фст,год) и трудозатрат на станочные работы (Тр.ст,год) рассчитывается необходимое число станков (S): ; Фст,год = (Тк − В − П − tр)·Тсм·С, где В - число выходных дней в году; П - число праздничных дней в году; tр - число дней в году, занятых плановым ремонтом станков (20); Тсм - продолжительность смены, ч; С - количество смен в сутки. Тр.ст,год = 43 чел-ч Фст,год = ( 365 − 105 − 12 − 20)·8·1 = 1824ч.; шт.. Списочное количество рабочих-станочников определяется по формуле: Рст = S·Нобс·С·Кп, где Нобс - норма обслуживания (количество станков на одного человека в смену); S - количество станков; С - количество смен в сутки; Кп - коэффициент подмены. Коэффициент подмены - коэффициент перехода от явочного количества рабочих к списочному - рассчитывается как отношение годового фонда рабочего времени станка при односменной работе к годовому фонду времени работы ста­ночника в днях или часах. Рст = 0,02 ·1·1·1,07 = 0,02 чел. Рпр= PΣ−Рсл −Рст = 0,18-0,14-0,02 = 0,02 чел. 8.3.7 Расчет фонда заработной платы рабочих, занятых в плановом ремонте оборудования [13, с. 10] Для расчета фонда заработной платы рабочих (ремонтников) используются рассчитанные выше данные о списочном количестве рабочих и затратах рабочего времени на год, а также действующие тарифные условия и показатели премиро­вания. Годовой фонд заработной платы складывается из основной и дополнитель­ной заработной платы. В основную заработную плату ремонтных рабочих вклю­чается: тарифный фонд рабочих, премии из фонда заработной платы, выплаты по районному коэффициенту, выплаты за вредное производство. Фонд зарплаты по тарифным ставкам рассчитывается путем умножения числа планируемых человеко-часов на тарифную ставку соответствующего раз­ряда. Ремонтные рабочие оплачиваются в основном по повременно-премиальной системе. Размер премий рабочим принимаем 20% тарифного фонда. На основную зарплату начисляется районный коэффициент, учиты-вающий местонахождение предприятия (15%). В фонд дополнительной зарплаты при проектировании включается оплата отпусков и невыходов в связи с выполнением государственных и общественных обязанностей. При проектировании дополнительная заработная плата принимается в зави­симости от продолжительности отпуска и невыходов в связи с выпол-нением об­щественных и государственных обязанностей, в размере 10% от фонда основной заработной платы с учетом районного коэффициента. Отчисления на социальное страхование определяются процентом от суммы ос­новной и дополнительной заработной платы рабочих; для химических предпри­ятий - 26 %: пенсионный фонд (20%); медицинское страхование (2,8%); социальное страхование (3,2%). Таблица 8.7 Расчет годового фонда з/платы ремонтных рабочих оборудования Ремонтные рабочие Тарифный разряд Списочное число рабочих Отработан- ное время, чел/час Система оплаты труда Тарифная ставка, руб./час Фонд основной заработной платы Фонд допол зар.платы , руб.(10%) Итого Отчисления на социальные нужды Всего фонд зар. платы,руб.с отчислениями Одного рабочего Всех рабочих Фонд платы по тарифу Премия (20%) Итого Итого учетом район. коэф. Слесари 4 0,14 1696 237,44 Повременно-премиальная 45 10684,8 2136,96 12821,76 14745,04 1474,5 16219,54 4217,08 20436,62 Станоч- ники 4 0,02 1696 33,92 45 1526,4 305,28 1831,68 2106,43 210,64 2317,07 602,44 2919,51 Тех. персо- нал 4 0,02 1696 33,92 45 1526,4 305,28 1831,68 2106,43 210,64 2317,07 602,44 2919,51 Итого 0,18 1696 305,28 13737,6 2747,52 16485,1 18957,9 1895,79 20817,7 5412,6 26203,3 8.3.8 Расчет затрат на ремонты в год. Затраты на проведение ремонтов определяют сметами. При отсутствии их можно использовать способ укрупненных показателей. За укрупненный показатель принимают удельный вес всех видов годовой зарплаты рабочих, занятых на плановых ремонтах, в общей сумме затрат на все ремонты в год. За норматив принимают усредненный показатель в размере 30 %. Затраты на ремонты в год составят: 26203,3/0,3=87344,3 руб. 8.3.9. Расчет затрат на капитальный ремонт Расчет затрат на капитальный ремонт (сметно-финансовый расчет) производится на основании дефектной ведомости. Такой расчет требует много времени, поэтому при проектировании используют укрупненный показатель: удельный вес объема капитального ремонта в объеме всех ремонтов в год. Исходя из суммы затрат на все ремонты в год и доли капитального ремонта в общем объеме работ, определяются затраты на его проведение. Затраты на капитальный ремонт составят: 87344,3·0,132 = 11529,4 руб. 8.3.10 Расчет затрат на обслуживание установки Расчет количества обслуживающего персонала. Режим работы: три смены по 8 часов. Годовой фонд работы оборудования определяется по формуле: Тр,об = Тк -Трем , где Тр,об - годовой фонд рабочего времени оборудования, ч; Трем- простой оборудования в ремонте, ч. ч. Годовой фонд времени оператора определяется на основе баланса рабочего времени, который приведен в таблице 8.8. Таблица 8.8 Баланс рабочего времени одного оператора в год Три смены по 8 часов 1. Календарное число дней в году - выходные и нерабочие дни 2. Номинальный фонд рабочего времени 3. Heвыxoды на работу по причинам: - очередные и дополнительные отпуска - болезни - выполнение государственных и общественных обязанностей 365 91 274 24 6 2 Итого невыходов, дни 32 4. Действительный фонд рабочего времени, дни 5. Действительный фонд рабочего времени, ч 242 1936 Число операторов на установке определяется по формуле: Чоп = Нобс·Кп·с, где Нобс - норма обслуживания, Нобс = 1; с - количество смен в сутки, с=3; Кп - коэффициент подмены. , где Фоп - время работы в год одного оператора, час. Тогда число операторов будет Чoп=1·1,48·3=4,44 чел. Таблица 8.9 Расчет списочной численности операторов Наимено- Количество Явочное число