Холодильные аппараты

Оглавление  

Введение  …………………………………………………………………………….3

1. Анализ  современного состояния холодильных  машин и установок……….....7

2. Классификация,  конструкции и принцип действия  основных  аппаратов холодильных  машин………………………………………………………………..21

   2.2. Конденсаторы ……………………………………………………………...23

   2.1. Испарители ………………………………………………………………...32

 3. Методика  теплового и конструктивного  расчетов аппаратов холодильных  машин…………………………………………………………………………….…42

   3.1. Тепловой и конструктивный расчет  конденсаторов…………………….46

   3.2. Тепловой и конструктивный расчет испарителей………………….……49

4. План-конспект  урока ……………………………………………………….…..61

Заключение………………………………………………………………………….68

Список  используемых источников и нормативных актов…………………...….69

Приложение  ………………………………………………………………………..74 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      Актуальность исследования. Холодильная техника постоянно совершенствовалась на протяжении всего ХХ столетия. Большую роль в улучшении ее характеристик сыграла классическая термодинамика, которая позволяет определять для низкотемпературных установок теоретически минимальные величины необходимых затрат работы (электроэнергии) как для достижения желаемого технологического результата, так и для компенсации расчетных величин роста («производства») энтропии вследствие необратимости.

      Для расширения присутствия нашей страны на мировом и внутреннем рынках необходимы новые идеи, новые инженерные решения и высокое качество изделий. В нашей стране существует огромный опыт русской инженерной школы, и опыт советской криологии и, что особенно существенно, новые, приоритетные, исследования.

      Следует отчетливо представлять, что без  серьезных научных исследований, которыми всегда славилась Россия, и без фундаментальной подготовки высококвалифицированных специалистов по холодильной и криогенной технике, кондиционированию и жизнеобеспечению (области инженерной криологии) эта задача не разрешима.

      Одним из основных направлений развития является применение энергосберегающих технологий, экономия невосполнимых природных  ресурсов.

      Например, потребление энергии холодильниками в Японии постоянно уменьшается, и за последние 10 лет сократилось на 1/5 часть. Это объясняется частично развитием производства вакуумных теплоизоляционных материалов, которые являются более эффективными, чем термоизоляционные панели. Они изготовлены из вакуумных уплотняющих материалов - кварцевого порошка и стекловаты, и покрыты металлической слоистой пленкой. Другим способом для улучшения энергосбережения является создание инверторной технологии, спо-собной минимизировать потери энергии посредством контроля за скоростью компрессора.

      Исследования  британских специалистов показало, что  продовольственные супермаркеты и  заводы пищевой промышленности существенно  могли бы сократить свои энергозатраты (более чем на 30 %) и вредные  выбросы в окружающие среду (на 25-50 %), используя комбинированное тепло, охлаждение и технологические мощности. Учет только половины от полного потребления энергии супермаркетов и других потенциальных потребителей могли быть существенны для экономики страны, что составило бы 5 % общего количества потребления электроэнергии Великобритании, а от заводов пищевой промышленности - до 10 %.

      В издании «Quick Frozen Foods International» были опубликованы материалы по потреблению продукции быстрой заморозки в Германии и Скандинавии. При этом выявилась следующая закономерность: крупные опто-вые магазины в Дании, такие как Lidl, быстро расширяются. Потребление замо-роженной пищи на душу населения в Германии составляет сейчас 34,6 кг. В Швеции в ресторанах продается 35 % замороженной пищи, остальные 65 % продаж приходится на розничную торговлю (в Японии и США наблюдается противоположная тенденция). В Швеции потребление замороженной пищи на душу населения сейчас равно 51,4 кг. Это второй показатель после Великобритании.

      Холодильная система - комплекс холодильного оборудования (один или несколько компрессоров, конденсаторов, испарителей различного типа, ресиверов и др.), в котором циркулирует или находится хладагент для производства искусственного холода.

      Холодильная установка - совокупность одной или нескольких холодильных машин и всех узлов, агрегатов, элементов, трубопроводов и жидкостей, необходимых для их функционирования, а также распределения и использования холода.

      Холодильная машина - категория тепловых машин, которые, поглощая энергию, имеют своей целью изъятие тепла от тел с низкой температурой и передачу его телам с более высокой температурой.

      Холодильная машина - осуществляет искусственное охлаждение с помощью подводимой энергии (механической, тепловой и т. д.). Различают холодильные машины компрессионные (газовые и паровые), абсорбционные, пароэжекторные и термоэлектрические.

      Цель  дипломной работы заключается в  исследовании холодильных аппаратов. Объектом является холодильные аппараты, предметом – анализ совершенствования и технического обслуживания компрессоров.

      Для достижения цели поставлены следующие  задачи:

      - дать классификацию и рассмотреть  технические характеристики компрессоров  холодильных машин;

      - описать поршневой компрессор: определение,  состав и принцип действия;

      - охарактеризовать отечественные герметичные компрессоры;

      - проанализировать пути усовершенствования  компрессоров и их техническое  обслуживание.

      Для рассмотрения данной темы в дипломном  проекте было использовано большое  количество научной, законодательной, аналитической литературы, а также практические документы с расчетами холодильных установок.

      Дипломная работа состоит из 4 глав. В первом разделе приводятся сведения об истории развития холодильной техники, и, в частности, конденсаторов. Указаны основные этапы развития от появления первого промышленного холодильника и до наших дней, приводится классификация холодильных машин и их сравнительный анализ, основные тенденции развития низкотемпературной техники.

      Во  второй разделе рассматриваются  конденсаторы, охлаждаемые водой и испарители. Приводится классификация водяных конденсаторов, основные конструктивные схемы, принцип действия, достоинства и недостатки по сравнению с другими схемами и принципами охлаждения.

      В третьем разделе изучается теплового  и конструктивного расчетов аппаратов холодильных машин.

      В четвертом разделе рассматривается  изучение холодильной системы в школьном курсе.

      Методами  исследования данной темы в дипломном  проекте являются: метод анализа, метод сравнения, аналитический  метод.

      При написании дипломной работы использованы специальная и учебная литературы.

      Научная новизна состоит в разработке учебно-методического материала в области холодильной технике.

      Практическая  значимость работы состоит в исследовании методологических аспектов данной темы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН И УСТАНОВОК 

      Проблемы  хранения были всегда. В древности  забитого на охоте зверя ели до тех пор, пока мясо его не протухало. Летом оно портилось быстрее, а зимой медленнее. При низких температурах мясо и овощи хранились значительно дольше. Всё потому, что микробы на холоде погибают. Хотя в те времена этого ещё не знали. Постепенно люди смекнули, что снег и лёд помогают сохранять продукты. У северных народов замороженные рыба, оленина и ягоды хранились месяцами.

      С течением времени этот опыт переняли и те, кто проживал в регионах с более мягким климатом. Чтобы  сохранить продукты жарким летом, стали  использовать лёд. Известно, что древнеримский  император Нерон тратил сумасшедшие  деньги на закупку льда. Для царственной особы этот «дефицит» заготавливали зимой в высокогорных районах или использовали замерзающие на зиму водоёмы. В средние века про лёд «забыли». На смену пришли иные способы хранения продуктов, в некоторых местах - довольно своеобразные. Например, плесневый сыр во Франции и других европейских странах. Его специально заражали «благородной» плесенью, чтобы не развивалась «неблагородная». Пенициллин, препарат, созданный из плесени, стали применять в качестве антибиотика недавно, в 50-х годах прошлого века, но совершенно подсознательно его свойствами - убивать бактерии - пользовались европейские сыроделы. Благородная плесень убивала всё, что производители сыра считали необходимым убить для надлежащего вкуса и длительного хранения своей продукции.[12, с. 29]

      Лишь  в ХIII веке, после возвращения  легендарного путешественника Марко  Поло из Китая, средневековая Европа узнала о том, какую пользу могут  принести снег и лёд. Вернее, не узнала, а вспомнила. Так, замороженные продукты прочно вошли в меню королевских семейств и знати сначала в Италии, а потом и во всей остальной Европе. Это были деликатесы, сохранить которые можно было только во льду, а также охлаждённое шампанское и мороженое.

      Люди  менее знатные, не имевшие средств  на дорогостоящие ледяные шкафы и погреба, хранили и консервировали продукты другими, более традиционными национальными способами. Мясо солили, капусту квасили, грибы и фрукты сушили и вялили на солнце.

      Больше  двухсот лет тому назад американский инженер Томас Мур занимался  поставками сливочного масла страждущим. Продукт животноводства быстро портился, и для его перевозки Мур (не зря же инженер) изготовил ёмкость из тонких листов стали, обернул её кроличьими шкурками, поместил в кедровую бадью и, назвав рефрижератором, запатентовал.

      Во  второй половине ХIХ века домашние ледники  были у миллионов семей в Америке, Европе и Австралии. Это был всё  тот же деревянный ящик. Теплоизоляцией служил уже не заячий мех, а пробка, бумага и опилки. Тысячи специально обученных людей в разных городах  и странах разносили лёд по домам. Имя им было - айсмены. Ледяной бизнес стал приносить немалые доходы. Но льда, особенно летом, катастрофически не хватало.

      В высокотехнологичной Европе и предприимчивой Америке стали искать пути к созданию искусственного холода. Ещё в средние века было замечено, что некоторые соли, например селитра, растворяясь в воде, поглощают большое количество тепла. Пользуясь современными терминами, можно сказать, что происходит реакция с поглощением тепла. Это был один из первых способов искусственного охлаждения. Если смешать селитру не с водой комнатной температуры, а со льдом, то можно добиться понижения температуры значительно ниже ноля. Этот способ был дорог и не получил широкого распространения. На практике его стали применять лишь в последние годы в охлаждающих пакетах, широко используемых в медицине. Они представляют собой мягкие ёмкости с водой, внутри которых плавает капсула с аммиачной селитрой. Нужно ударить по пакету, капсула разбивается, и селитра, растворяясь в воде, охлаждает пакет на 12-15 градусов.

      В 1810 году профессор Эдинбургского  университета Джон Лесли использовал  для охлаждения технологию, основанную на процессе абсорбции - поглощения сернистого газа водой. Но первое работающее устройство абсорбционного типа было создано только 50 лет спустя французами, братьями Эдмондом и Фердинандом Карре. Машина, представленная ими на выставке в 1862 году в Лондоне, производила более 200 кг льда в час [17, с. 66].

      Первые  образцы холодообразующих машин  были громоздки и дороги, а использовавшиеся в них вещества аммиак и селитра - ядовитыми либо огнеопасными.

      Одновременно  исследования продвигались и в ином направлении. И в Старом и в  Новом свете пытались использовать другой принцип - охлаждение жидкости при интенсивном испарении. Ещё в древней Индии сосуды для охлаждения жидкости оборачивались мокрой тканью и выставлялись на ветер. Влага, испаряясь на ветру, понижала температуру в сосуде. Но достичь значительного результата столь примитивным способом было невозможно. Потому и было предложено испарять не воду, а эфир, причем делать это при низком давлении, что позволило уменьшить температуру кипения вещества. Конструкторы придумали специальное устройство - компрессор который нагнетал давление. Эфир становился жидким. По специальным трубкам он под давлением перетекал в испаритель холодильной камеры. Там давление падало, жидкость закипала и испарялась, охлаждая окружающий воздух, а вернее, поглощая тепло. Став газом и вобрав в себя тепло, эфир вновь поступал в компрессор, и все повторялось сначала… Впрочем, повторяется и по сей день. Ведь по такому принципу работают большинство современных агрегатов [21, с. 52].

      Первая  действующая компрессионная холодильная  машина была запущена в Австралии  Джеймсом Хариссоном и имела сногсшибательный успех. Ведь на Зеленом континенте, в отличие от Европы и Америки, не было своего льда. Доставлять айсберги из Антарктиды в то время было проблематично, а лёд, привезённый из Америки, по стоимости получался золотым.

      Промышленные  установки быстро завоевали весь мир. Они использовались в пивоварнях, в мясоперерабатывающей отрасли, при производстве мороженого. Тогда же появились первые корабли-рефрижераторы и рефрижераторные вагоны.

      Но  до создания бытового холодильника было ещё далеко. Домохозяйки по-прежнему пользовались ящиками со льдом, айсмены по-прежнему развозили лёд по кухням в своих повозках.

      В 1908 году в Париже прошел Первый Международный  конгресс по холоду. Мудрейшие мужи планеты долго заседали, произносили  пламенные речи. И вынесли решение  благоприятствовать делу освоения холодильных машин для домашних и мелкопромышленных нужд: «Имея в виду блага и выгоды, которые могут принести земледелию, торговле и промышленности всех стран развитие холодильного дела, конгресс просит общественные власти всех стран облегчить устройство холодильных приспособлений в домашнем, сельском и мелком промышленном хозяйстве, в частности, ограничить до возможного минимума регламентацию и формальности относительно пользования холодильными машинами» [16, с. 44].

      В настоящее время холодильная техника широко используется во многих отраслях пищевой промышленности, при переработке нефти и газа, в сельском хозяйстве, строительстве, медицине, торговле, быту. Многие современные технологические процессы производства продукции невозможно представить без  применения искусственного холода.

      Низкотемпературная  обработка является обязательным технологическим  процессом при переработке большинства  пищевых продуктов.   

      На  современных предприятиях работают различные системы холодоснабжения. От их эффективности зависит себестоимость выпускаемой продукции, так как холодильные установки являются достаточно энергоемкими. На некоторых пищевых предприятиях потребление электроэнергии холодильной установкой составляет 50-60 %  электропотребления всего предприятия.

      Потребление электроэнергии системами холодоснабжения  зависит от состояния холодильного оборудования, от качества изоляционных конструкций охлаждаемых помещений  и технологических аппаратов, от профессионального уровня эксплуатации оборудования и т.д.

      Эксплуатация старого морально и физически изношенного оборудования ведет к большим энергетическим потерям и повышению потребления электроэнергии на предприятии.

      В связи с этим важно провести анализ существующих систем холодоснабжения  промышленных предприятий и обозначить пути повышения их  энергетической эффективности.

      Особый  интерес представляет анализ состояния  существующего холодильного оборудования пищевых предприятий. Анализ проведен отдельно по основному и вспомогательному оборудованию. Основное холодильное оборудование рассматривалось по отдельности (компрессоры, конденсаторы, испарители). Все вспомогательное оборудование обобщено в одну группу (отделители жидкости, маслоотделители, ресиверы и т.д.).

      Компрессоры (поршневые винтовые, ротационные  и др.)

      Длительность  эксплуатации холодильных компрессоров на 12,1 % предприятиях составляет более 30 лет со степенью износа 100 %. Имеются  даже действующие компрессоры выпуска 1963 года, которые выработали двойной  срок службы. Компрессоры  со сроком эксплуатации от 20 до 30 лет и степенью износа так же 100 % эксплуатируются на 45,5 % предприятий. Общее количество компрессоров со стопроцентным износом составляет 57,6 %. На 30,3 % предприятий срок эксплуатации компрессоров равен от 10 до 20 лет со средней степенью износа 60%. И только на 12,1 % предприятий холодильные компрессоры работают до 10 лет, их степень износа составляет в среднем 20% [24, с. 110].

      Испарители (испарители для охлаждения жидкостей, камерные батареи, воздухоохладители)

      На 7,1 % предприятий пищевой промышленности эксплуатируются испарители более 30 лет со степенью износа 100 %. Срок службы 39,5 % испарителей составляет от 20 до 30 лет со степенью износа 100 %. Таким образом, общее количество испарителей со стопроцентным износом составляет 46,6 %. От 10 до 20 лет работают 41,8 % испарителей со средней степенью износа 60 %. Относительно новых испарителей со сроком эксплуатации до 10 лет и средней степенью износа 20 % насчитывается 11,6 % от всех испарителей [41, с. 89-90].

      Конденсаторы (водяные, водо-воздушные, воздушные)

      20 % всех конденсаторов предприятий  эксплуатируются более 30 лет и  имеют износ 100 %. Из них есть  экземпляры 1959 года выпуска, которые  функционируют уже 47 лет. От 20 до 30 лет работает 34,3 % конденсаторов  со степенью износа 100 %. Общее количество конденсаторов со стопроцентным износом составляет 54,3 %. Срок службы от 10 до 20 лет составляет у 34,3 % конденсаторов со средней степенью износа 60 %.  Более новых конденсаторов со сроком эксплуатации до 10 лет насчитывается 11,4 % со средней степенью износа 20 % [24, с. 118].

        Вспомогательное оборудование.

      На 3,8 % предприятий вспомогательное  оборудование эксплуатируется более 30 лет со степенью износа 100 %. 53,8 % предприятий  имеют срок эксплуатации вспомогательного холодильного оборудования от 20 до 30 лет со средней степенью износа 100 %. Общее количество вспомогательного холодильного оборудования со стопроцентным износом составляет 57,8 %. От 10 до 20 лет работают 30,9 % вспомогательного оборудования. Со сроком эксплуатации до 10 лет насчитывается 11,4 % со средней степенью износа 20%.

      Из  анализа состояния холодильного оборудования видно, что 50-60 % всего  основного и вспомогательного оборудования имеют износ 100 %. Относительно новое  холодильное оборудование составляет только 10-15 %. 

      Эксплуатация  изношенного холодильного оборудования ведет к существенному перерасходу  энергетических ресурсов на предприятии.

      Основной  составляющей энергосбережения на пищевых  предприятиях является замена физически  изношенного и морально устаревшего  холодильного оборудования. Проведенные расчеты показали, что установка нового современного высокоэффективного холодильного оборудования, вместо существующего старого оборудования, окупится в течении 5-6 лет [12, с. 29].

      Компрессорные и холодильные машины - важные виды продукции машиностроения. Они применяются во многих отраслях народного хозяйства: химической, нефтяной, газовой и машиностроительной, на транспорте, в металлургии, геологии, строительстве, агропромышленном комплексе, а также - в новых перспективных направлениях техники и технологии, в частности, в космонавтике, робототехнике, производстве искусственного топлива и др. Сердцем любой холодильной и криогенной установки является компрессор. От эффективности и надежности его работы зависят КПД и долговечность компрессорной и холодильной установки в целом.

      В настоящее время в России и  в странах СНГ эксплуатируется  свыше 500 тысяч промышленных компрессоров, которые вместе с вентиляторами  и насосами потребляют около 20% вырабатываемой в стране электроэнергии. Производством и ремонтом компрессоров занято свыше 1 млн. человек. В связи с этим вопросы повышения технического уровня компрессоров и холодильных установок, в частности, их эффективности и надежности, имеют важное народнохозяйственное значение и поэтому являются основными в деятельности многих научно-исследовательских и конструкторско-технологических организаций, а также промышленных предприятий отрасли холодильного и компрессорного машиностроения.

      Вследствие  распада бывшего СССР в России и странах СНГ централизованное управление этой отраслью стало невозможным, экономические и научно-технические связи между предприятиями-изготовителями и проектными организациями ослабли либо прекратились вообще. Многочисленные заказчики компрессорного и холодильного оборудования, как в России, так и странах СНГ, которые испытывают острую потребность в их приобретении, не имеют средств для заказа, а тем более для финансирования поисковых НИР и ОКР. Крупные заказы на поставку большого числа машин одной номенклатуры, кроме компрессоров для передвижных компрессорных станций, холодильных установок, газопроводов и некоторых других производств, связанных прежде всего с агропромышленным комплексом и бытовой техникой, ушли в прошлое. Сегодня заводы-изготовители находятся в постоянном поиске заказов на компрессоры различных параметров и назначений, что требует пересмотра принципов конструирования этих машин. Становится основным принцип "заказчик всегда прав", по которому уже много лет работают иностранные фирмы.

      Одновременно  необходимо отметить рост кризисных явлений даже в ведущих западных странах (например, в США, Германии, Японии), что сильно обостряет конкуренцию на международном рынке  холодильного оборудования. Несмотря на это, на мировом рынке отмечается некоторый рост потребности  в холодильном оборудовании, например, в винтовых и центробежных компрессорах, появляется потребность в компрессорах на новые, более высокие параметры. Большая часть парка компрессорного и холодильного оборудования в России и СНГ морально и физически изношена, требует в значительной части замены или модернизации. Поэтому в настоящее время более актуальной становится задача по ремонту и модернизации компрессорного и холодильного оборудования, в особенности крупного эксплуатируемого оборудования. При этом заказчик, как правило, выдвигает требования по частичному изменению параметров компрессора или установки в целом, с одновременным повышением критериев по надежности, безопасности, экономичности и экологичности.

      Холодильная промышленность обеспечивала и сейчас может обеспечивать формирование, хранение государственных резервов и ресурсов для поставок спецпотребителям. Одновременно эта система является одним из ключевых стабилизирующих звеньев формирующейся рыночной инфраструктуры агропромышленного комплекса страны.

      Согласно  прогнозам Международного института  Холода, в будущем крупнотоннажное  холодильное консервирование скоропортящихся  продуктов не имеет альтернативы.

      Сложившаяся на протяжении многих десятилетий система  хладокомбинатов России всегда рассматривалась государством как стратегически важная отрасль для обеспечения продовольственной безопасности страны и стабилизации потребительского рынка. При этом хладокомбинаты Росмясомолторга успешно справлялись с решением таких задач, как формирование, хранение государственных резервов и ресурсов для поставок корпоративным потребителям, а также в районы Крайнего Севера.

      В последние годы в России наметились позитивные сдвиги в развитии холодильной  промышленности. Созданы новые производства холодильного оборудования для предприятий торговли и общественного питания, техники быстрого замораживания, сборочные цеха холодильных машин, производства отдельных комплектующих изделий, наметился существенный прирост выпуска быстрозамороженной продукции.

      Вместе  с тем, на большинстве хладокомбинатов используется морально и физически устаревшее оборудование с большим содержанием аммиака, не отвечающее современным требованиям промышленной безопасности. Неудовлетворительными темпами идет реконструкция устаревших холодильных систем и внедрение новых скороморозильных отечественных установок.

      Большое количество техники на российских хладокомбинатах  нуждается в замене. Другим важным моментом является то, что техника  должна быть современной. Особого внимания заслуживает тот факт, что иностранные фирмы, сумевшие вовремя обосноваться на российском рынке, в какой-то мере повлияли на всплеск активности со стороны отечественных специалистов, многие из которых предпочитают импортное оборудование российскому. Актуальность этой проблемы будет возрастать вместе с ростом производства, усилением конкуренции [35, с. 67].

      В настоящее время главными направлениями  развития холодильной отрасли являются:

      - создание и внедрение технологий, обеспечивающих условия для высокого качества хранения продуктов;