Проект холодильной установки для охлаждения воды в технологических целях холодопроизводительностью 200 кВт в г. Кирове

Министерство  образования и  науки  Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ФГОУ  СПО «Мелеузовский  механико-технологический  техникум» 
 
 
 
 
 

                                                       Специальность 1711 
 
 
 
 

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ 
 

ПРОЕКТ  ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ ХОЛОДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ

200 кВт  В г. КИРОВЕ 
 
 
 
 
 

 Студент:                                                                                 С.А. Наумов 
 

 Руководитель

 проекта:                                                                                  З.В. Кайбушева 
 

 Консультант

 по экономической  части:                                                      Т.В. Ишбаева 
 

 Нормоконтроль:                                                                     В.В. Прокудин 
 
 
 

Мелеуз 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ 

  Введение                                                                                                              4

1. Технико-экономическое  обоснование                                                               6

2. Выбор расчётных  параметров                                                                            8

3. Выбор системы охлаждения                                                                            10
4. Тепловой расчёт                                                                                                12
5. Расчёт изоляции                                                                                                15
6. Расчёт и подбор компрессора                                                                          17
7. Расчёт и подбор теплообменных аппаратов                                                  22
8. Расчёт и подбор вспомогательного оборудования                                        24
9. Автоматизация холодильных установок                                                        28
10. Подбор приборов автоматики                                                                        31
11. Издержки производства и основные показатели работы предприятия      34
12. Охрана труда и окружающей среды                                                               44

     Список  используемых источников                                                                 49

    Приложение                                                                                                       50  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

   Холодильная техника в настоящее время  представляет собой высокоразвитую отрасль промышленности, способную  удовлетворить самые разнообразные  требования, возникающие в связи  с необходимостью отводить теплоту  от различных объектов при температурах ниже температуры окружающей среды.

   Холодильная техника применяется на предприятиях различных отраслей промышленности. Практически нет таких отраслей, где бы не применялся искусственный  холод. Одной из важнейших областей применения искусственного холода является мясная, и молочная промышленность входит в состав агропромышленного комплекса. Основные задачи агропромышленного комплекса – достижение устойчивого роста сельскохозяйственного производства, надёжное обеспечение страны продуктами питания и сельскохозяйственным сырьём. Решение задач, поставленных перед агропромышленным комплексом, зависит от внедрения достижений холодильной техники и технологии развития сети холодильников, оснащений отраслей агропромышленного комплекса рефрижераторным транспортом, контейнерами для транспортировки и хранения продукции. В мясной и молочной промышленности искусственный холод применяется для охлаждения, замораживания и хранения молочных и мясных продуктов.

   Во  многих технологических процессах, например при изготовлении масла и молочных продуктов на молочных комбинатах, в системах кондиционирования воздуха охлаждение осуществляют в специальных аппаратах с помощью промежуточного хладоносителя (холодной  воды либо рассола), поступающего из центральной холодильной станции по сети трубопроводов.

   В данном проекте применяется система  централизованного холодоснабжения  с потребителями холода, удалёнными от холодильной станции. Основное отличие  этой установки от холодильных установок  с рассольным охлаждением состоит в меньшей зависимости от потребителя холода. Назначение такой установки – приготовление хладоносителя с заданным расходом, напором начальной и конечной температурами.

   Вид промежуточного хладоносителя выбирается в зависимости от его температуры: при температуре 1°С и выше применяют воду, при более низких температурах (до – 30°С) – водные растворы солей и этиленгликоля.

   Для сглаживания неравномерности тепловых нагрузок в течение суток, уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат на получение холода на предприятиях молочной промышленности широко применяют аммиачные холодильные установки с аккумуляторами холода. Эти аккумуляторы созданы на базе панельных испарителей типа ИП, применяемых для охлаждения жидких хладоносителей. В период малых тепловых нагрузок на поверхности панелей намораживается слой льда толщиной 30-40 мм, который тает в период пиковых нагрузок, уменьшая тем самым нагрузку на холодильную установку.

   Таким образом применение установки для  охлаждения воды с использованием промежуточной  ёмкости и аккумуляторов АКХ является эффективным способом сглаживания колебаний в тепловых нагрузках.  
 
 
 
 
 
 
 

1.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ  ОБОСНОВАНИЕ 

   Город Киров является административным центром  Кировской области. Он расположен на левом высоком берегу реки Вятки, в 900 км  от Москвы на северо-восток.  Город был основан в 1374 г. как город Вятка, с 15 века по 1780 год носил название Хлынов, затем был переименован в город Вятку, и свое современное название получил в 1934 году. Издревле город был известен как местный центр ремесел и торговли. 

   Климат  умеренно-континентальный, с продолжительной  умеренно холодной зимой и коротким, но сравнительно теплым летом. Средние  температуры: января – от 14°С до -16°С, июля – от 17 до 19°С. Осадков – около 500 мм в год. Вегетативный период – 155-170 дней. 

   Киров – крупный промышленный, транспортный и культурный центр. Через него проходят основные железнодорожные магистрали, соединяющие Северо-Запад и Центр  с Уралом, Сибирью и Дальним  Востоком, а также северными районами страны. Территория МО «город Киров» составляет  70,5 тыс.га. Численность населения по статистическим данным в 2003 году составила 497,4 тыс. чел., из них городское население составляет 474,9 тыс. чел., сельское – 22,5 тыс. чел.

   Определяется численность населения города Кирова в перспективе, по формуле:

                            Чп = Чф· ,                                           (1.1)   

   где Чп – численность населения на перспективу, чел;

Чф – Численность населения фактическая, чел;

n – число лет на перспективу;

P – прирост населения (1-1,5%) 

   Чп = 497,4· = 522,8 тыс.чел.

   Ведущие отрасли промышленности: машиностроение и металлообработка (АО «Электромашзавод им. Лепсе» – железнодорожные краны; завод «Кирскабель» – неизолированный  алюминиевый провод; производственно-торговая фирма «Веста» – автоматические стиральные машины); химическая

и нефтехимическая (Кировский фосфоритный рудник – минеральные удобрения; АО «Кировский шинный завод»); микробиологическая (Кировский биохимический завод – кормовые дрожжи); лесная, деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная (деловая древесина, фанера, лыжи, спички; АО «Эликон» – производство кабельной и конденсаторной бумаги); лёгкая (АО «Белка» – меха и меховые изделия; АО «Искож» – искусственные кожи, фирма «Баско»); пищевая. Производство стройматериалов. Добыча фосфоритов, торфа и др. 

   Сельское  хозяйство области в основном имеет зверо-животноводческое направление. Выращивают зерновые культуры, лён-долгунец, картофель, овощи. Средняя урожайность  по области (ц/га, 1995 г.): зерна – 9,8; картофеля – 177; овощей – 341. Производят скот и птицу на убой, молоко, шерсть, яйца.

   Структура валового продукта производства, (%): промышленность – 38,9; сельское хозяйство – 16,1; строительство – 3,8; транспорт – 7,0; торговля и коммерческая деятельность 9,5; прочее – 24,7.

   Структура занятости населения, (%): промышленность – 27,5; сельское хозяйство – 16,5; лесное хозяйство – 0,7; строительство – 3,8; транспорт – 5,3; связь – 1,4; торговля и общественное питание – 14,9; жилищно-коммунальное  хозяйство – 3,9; здравоохранение, физическая культура, социальное  обеспечение – 7,4; образование – 9,3; культура и искусство – 1,8; наука и научное обслуживание – 0,3; другие отрасли – 7,4.

2.ВЫБОР  РАСЧЁТНЫХ ПАРАМЕТРОВ 

   Расчётный (рабочий) режим холодильной установки характеризуется температурами кипения - to, конденсации - tк, всасывания (пара на входе в компрессор) - tвс, и переохлаждения жидкого хладагента перед регулирующим вентилем - tн. Значение этих параметров выбирают в зависимости от назначения холодильной установки и расчётных наружных условий.

   Расчётные параметры наружного воздуха.

   Холодильники, как правило, рассчитывают на самый  жаркий период года. Поэтому в качестве летней расчётной температуры в  городе Кирове принимаем  tл = 29,5ºС. В качестве летней расчётной относительной влажности наружного воздуха принимают φ = 51%. Расчётное значение среднегодовой температуры наружного воздуха tср.г = 3,1ºС.

   Метод определения температуры мокрого  термометра.

   На  i-d диаграмме сначала определяется точку А с параметрами t = 29,5ºС, φ = 51%. Она находиться  по линии постоянной температуры (t = const), с заданным значением расчётной летней температуры, до пересечения с линей постоянной относительной влажности (φ = const), с заданным значением расчётной летней относительной влажности. Затем из точки А по линии постоянной энтальпии (i = const) двигаемся до пересечения с линией φ = 100% (точка Б). Температура в точке Б. и будет искомой температурой мокрого термометра tм = 22ºС.

   Рис. 1. Метод определения по i – d диаграмме точку мокрого термометра.

   Расчётная температура воды для охлаждения конденсаторов.

   Оборотное водоснабжение воды, то есть начальную  температуру воды (tw1) для охлаждения конденсаторов принимают на 2…3ºС выше температуры воздуха по смоченному термометру tм, °С.

   tw1 = tм + (2…3)                                                                                             (1.1)

   tw1 = 22 + 3 = 25ºC

   tw1 = 25ºC

   Конечную  температуру воды принимают на 4…5ºС выше начальной температуры воды, °С:

   tw2 = tw1 + (4…5)                                                                                           (1.2)

   tw2 = 25 + 5= 30ºC

    tw2 = 30°C

   Температуру конденсации принимают на 4…6ºС выше средней температуры воды в конденсаторе, °С:

   tк = + (4…6)                                                                                   (1.3)

   tк = + 5,5 = 33ºC

3. ВЫБОР СИСТЕМЫ  ОХЛАЖДЕНИЯ

    При подборе оборудования учитывают  показатели основных его свойств: потребительских, отражающих полезный эффект от использования (холодопроизводительность, расчётная температура охлаждаемой среды, объёмная подача, суммарная холодонагрузка и др.); надежности, характеризующих безотказность, долговечность и ремонтопригодность; стандартизации и унификации, безопасности и экономичности.

    При проектировании установки для охлаждения воды, необходимо в первую очередь определиться со схемой холодильной установки. В данном проекте применяется безнасосная схема. В ряду некоторых недостатках перед насосно-циркуляционной схемой, которая обеспечивает сто процентную надёжность в защите от влажного хода компрессора, безнасосная схема компенсирует этот недостаток путем введения в систему отделителя жидкости и защитного ресивера. Кроме того, безнасосная схема более экономична, чем насосно-циркуляционная, т.к. отсутствие насосов снижает затраты на электроэнергию

   Следующим шагом в выборе системы охлаждения является хладагент. В качестве хладагента в проекте используется аммиак (R717). Аммиак наряду с другими хладагентами имеет несколько преимуществ: специфический запах, что в свою очередь облегчает определение утечек и своевременное их устранение, не активен к металлам, один из лучших хладагентов по термодинамическим свойствам. Надо также отметить, что аммиак полностью экологичен и по сравнению с хладонами не разрушает озоновый слой Земли, что в наше время так актуально. Ещё одно и наверно самое главное преимущество аммиака – его экономичность. По-сравнению с хладоном-12 (R12), аммиак во много раз дешевле.

   Так как проектируется установка  для охлаждения воды то хладоносителем также является вода. В качестве оборудования для охлаждения хладоносителя  будет целесообразно применить  панельный испаритель, а точнее аккумуляторы холода марки АКХ созданных на базе панельных испарителей марки ИП. А период малых тепловых нагрузок на поверхности панелей намораживается слой льда толщиной  30 – 40 мм, который тает в период пиковых нагрузок, уменьшая тем самым нагрузку на холодильную установку.

   Также для сглаживания колебаний холодонагрузки схема холодоснабжения предусматривает  промежуточную ёмкость в виде открытого бака. При этом одна группа насосов осуществляет циркуляцию хладоносителя  между испарителем и промежуточной  ёмкостью, а другая между ёмкостью и потребителем холода.

   Тип конденсатора выбирается в зависимости  от климатических условий местности  проектирования. Так, конденсаторы водяного охлаждения применяют при достаточном количестве относительно чистой и мягкой воды. Кроме того, горизонтальные кожухотрубные и кожухозмеевиковые конденсаторы требуют более чистой и мягкой воды, чем вертикальные, так как теплопередающую поверхность горизонтальных аппаратов труднее очищать от накипи и загрязнений. Вертикальные кожухотрубные конденсаторы менее чувствительны к загрязнениям; их можно устанавливать на открытой площадке, не опасаясь замерзания воды в холодное время года. Основываясь на выше изложенном, для отвода теплоты конденсации выбираются вертикальные кожухотрубные конденсаторы. 
 
 
 
 
 
 

   4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

   Тепловой  расчёт в данном проекте заключается  в определении количества холода, которое необходимого запасти в  баке-аккумуляторе для сглаживания  тепловых нагрузок на холодильную установку.

   Холодопроизводительность установки для охлаждения воды определяют по графику изменения тепловой нагрузки в течение суток. Сначала определяют суммарную потребность холода в сутки ( ), равную суточной выработке холода станцией (в кВт·ч или кДж):

                                = ∑Qi·Δτi,                                            (4.1)

   где Qi – нагрузка в течение интервала времени, кВт;

       Δτi – интервал времени с постоянной нагрузкой, ч 

Рис.2. График изменения нагрузки на холодильную  станцию

= 150·3 + 350·6 + 300·3 + 100·4 = 3850 кВт·ч = 3850·3,6·10³ кДж = 13860·10³ кДж 
 

   Среднюю расчётную холодопроизводительность станции (Qх.ст), определяют по формуле:

                               Qх.ст = ,                                                 (4.2)

где τр – продолжительность работы холодильной станции в сутки (τр = 20...22 ч/сут.)

Qх.ст = = 192,5 кВт

   Количество  холода, которое необходимо запасти в баке-аккумуляторе, определяется по формуле:

                               Qак = ∑ ·Δτi,                                              (4.3)

где = Qi - Qх.ст –   превышение   нагрузки  по   сравнению   со   средне-суточной холодопроизводительностью станции. 

Qак = (350 – 200)·6 + (300-200)·3 = 1200 кВт·ч = 1200·3,6·10³ кДж = 4320·10³ кДж

   Площадь теплопередающей поверхности бака-аккумулятора должна отвечать двум требованиям: она должна быть достаточной для передачи среднесуточной тепловой нагрузки на станцию при работе в течение 15 – 16 ч в сутки; масса льда, накопленного на поверхности испарителей, должна быть достаточной для снятия пика избыточной тепловой нагрузки. 

   Исходя  из первого требования Fак, м²:

                              Fак = ,                                            (4.4)

где k – коэффициент теплопередачи панельного испарителя при накоплении на нем льда толщиной 40 – 45 мм (принимают k = 90...100 Вт/(м²·К));

ts ак – средняя температура в баке-аккумуляторе, °С (принимают 3 – 4°С);

tо – температура кипения аммиака в конце периода намораживания, °С (принимают от -12 до -15°С)

     Fак = = 120 м²

   Исходя  из второго требования:

                              Fак = ,                                             (4.5)

   где δл – толщина намороженного слоя льда, мм;

 ρл – плотность льда, кг/м³ (ρл = 900...920 кг/м³);

 360 – удельная  аккумулирующая способность льда, кДж/кг

   Fак = = 290 м²

   По  таблице 13.4,[6] подбирается аккумулятор холода марки 2АКХ-160 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   5. РАСЧЁТ ИЗОЛЯЦИИ

   Расчёт  изоляции сводиться к определению  толщины теплоизоляционного слоя бака-аккумулятора, соответствующий нормативному значению коэффициента теплопередачи. Бак-аккумулятор проектируется прямоугольной формы, из углеродистой стали марки СТ 3 и толщиной 0,01 м. В качестве теплоизоляции выбирается пенополистирол (ПСБ-С). Т.к. бак-аккумулятор расположен вне помещения, на открытой площадке, то для повышения теплоизоляции снаружи бак оформлен оштукатуренной кирпичной кладкой.

   Нормативное значение коэффициента теплопередачи  выбирается из таблицы 55,[1].

   Толщина теплоизоляционного слоя определяется по формуле, м:

                            δиз = λиз [1/k – (1/αн  + Σδι/λι + 1/αв)],                             (5.1)

   где  k – нормативный коэффициент теплопередачи изоляционной  

           конструкции, Вт/(м²·К);

        αн, αв – коэффициенты теплопередачи с наружной и внутренней сторон ограждений, Вт/(м²·К), определяется из таблицы 57,[1]

          δι – толщина отдельных слоев ограждений (кроме теплоизоляции), м;

       λι – коэффициент теплопроводности изоляционного и строительного материалов, Вт/(м²·К) из таблицы 54,[1].

δиз = 0,05·[1/0,36–(1/23,3 +0,02/0,93 + 0,12/0,81 + 0,01/0,93 + 1/8)] = 121 мм

Принимаем 2 слоя теплоизоляции ПСБ-С  1х100 и 1х25

   Если  стандартная толщина изоляции превышает  расчётное значение больше чем на 10%, то необходимо определить действительное значение коэффициента теплопередачи ограждения, Вт/(м²·К):

                                    kд = 1/[(1/αн  + Σδι/λι + 1/αв)+δ