Холодильные установки

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА АСТАНЫ

КОЛЛЕДЖ  КАЗАХСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ТЕХНОЛОГИИ И БИЗНЕСА

ОТДЕЛЕНИЕ  «ДИЗАЙН» И ТЕХНОЛОГИИ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

по дисциплине: "Процессы и аппараты нефтигазопереработки"

на тему: "Холодильные установки"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент 3 курса группы - ТПНиГ-302:Наумова Д.Р.

Проверила : Жусанова    С.А.

Отметка:

 

 

 

 

 

Астана 2015

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение                                                                                                   

 

Глава1. Термодинамические процессы……………………………….5

1.1.Основы теплоотдач.......................................................................... 5

1.2.Фазовое изменения  веществ...............................................................6

1.3.Понятие о холодильном  цикле..............................................................8

 

Глава 2 Холодильные установки. Требования, предъявляемые к схемам холодильных установок…………………………………………….11

2.1 Типы  холодильных установок, системы охлаждения..................11

2.2. Холодильные  агенты.....................................................................13

2.3. Общие  требования  и задачи эксплуатации.................................14

2.4 Требования, предъявляемые к схемам холодильных установок..16

2.5 Схемы узлов оборудования, размещаемого в машинном отделении………………………………………………………………………..17

 

Заключение ...........................................................................................20

 

Список литературы……………………………………………………...21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Под искусственным холодом в технике понимают получение температуры ниже, чем в окружающей среде, и поддержание такой температуры в технологических процессах или помещениях. Источником искусственного холода служат холодильные машины и установки, представляющие собой аппараты и трубопроводы с замкнутым циклом движения специальных веществ – рабочих тел, изменяющих свое агрегатное состояние в процессе получения холода. Мысль о применении искусственного холода была высказана еще М.В. Ломоносовым в его труде «Размышления о причине тепла и холода». Однако практически искусственный холод научились получать только в 19 столетии. Первым потребителем искусственного холода стала пищевая промышленность. С помощью холодильных машин стали замораживать и хранить мясо, рыбу и другие скоропортящиеся пищевые продукты. Бурный технический прогресс 20 столетия, развитие современных отраслей промышленности привели к использованию искусственного холода в большом количестве технологических процессов. Сейчас почти нет отраслей народного хозяйства, не применяющих холод. Длительное хранение пищевых продуктов, создание искусственного микроклимата в закрытых помещениях (кондиционирование), низкотемпературная закалка металла, замораживание водоносных грунтов для строительных работ, химическая технология, медицина – вот далеко не полный перечень применения искусственного холода. Ряд физических, химических и других процессов при низких температурах протекает по-иному, чем при обычных, а многие современные химические продукты без искусственного холода было бы просто невозможно получить. Химическая промышленность вышла на первое место по масштабам применения искусственного холода. Современная химия революционирует производство не меньше, чем это сделали в свое время паровая машина и электрический двигатель. Немалую роль в развитии химической промышленности сыграли прогресс холодильной техники и возможность использования огромных количеств холода. Искусственное охлаждение входит как необходимое звено в большое количество процессов химической технологии. С помощью холода сжижают и разделяют газы, очищают нефть от твердых компонентов, выделяют соли из растворов, получают аммиачные удобрения, производят многие виды пластмасс и др.

Цель работы: изучение холодильной установки

Задачи:

1) Рассмотреть основные теоретические понятия о фазовом изменении веществ и холодильном цикле

2) Рассмотреть типы холодильных  установок, общие требования  и  задачи эксплуатации, а также  технологическую схему установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

 

1.1 Основы теплоотдач

 

Передача внутренней энергии в виде теплоты от одних тел к другим или от одних молекул другим молекулам того же тела называется теплопередачей. Теплота передается всегда от тел более нагретых к менее нагретым под действием разности температур. В зависимости от состояния тел (твердые, жидкие или газообразные), а также от их взаимного расположения существуют три способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. В твердых телах теплота передается без механического перемещения частиц вещества, за счет передачи энергии движения соседним молекулам и называется теплопроводностью. Тепловая энергия молекул более нагретого участка вещества передается соседним, более холодным. Это можно наблюдать, например, при нагреве одного конца куска медной проволоки над пламенем спиртовки. Этот вид теплообмена происходит до тех пор, пока температура во всех участках тела не уравняется. Способность различных веществ проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности, измеряемым в Вт/(м К). В жидкостях и газах передача тепловой энергии от нагретых слоев к холодным происходит за счет конвекции, т.е. в результате перемещения частиц вещества в объеме. Это происходит потому, что холодные газ или жидкость тяжелее теплых. Нагретые слои всегда выталкиваются вверх, а их место занимают холодные. Учитывая процесс конвекции, отопительные батареи устанавливаются по возможности ниже, а охлаждающие батареи холодильников в верхней части помещений. Передача тепла в жидкостях и газах путем естественного перемещения холодных слоев вниз, а теплых вверх называется естественной конвекцией. Перемещение газов при естественной конвекции происходит с небольшой скоростью. Поэтому в холодильной технике часто применяется принудительная конвекция, когда рядом с охлаждающей батареей устанавливается вентилятор. Такие батареи называются воздухоохладителями. С их помощью охлаждение происходит в несколько раз быстрее и перепад температур по высоте в охлаждаемых помещениях устанавливается минимальным: в пределах 1 – 2 ' С. Способ передачи тепла лучеиспусканием называют еще температурным излучением, так как в основном все нагретые тела излучают тепло в виде инфракрасных лучей. Чем больше тело нагрето, тем больше лучистой энергии оно излучает. Лучистая энергия может передаваться на огромном расстоянии. Лучепоглощение различных тел зависит от окраски и состояния их поверхности. Темные поверхности поглощают почти всю лучистую энергию, которая на них падает, и при этом нагреваются, белые почти полностью отражают, прозрачные пропускают через себя, почти не нагреваясь. В холодильной технике приходится иметь дело в основном с двумя видами передачи тепла – теплопроводностью и конвекцией. Обмен тепла между поверхностью тела и окружающей средой называется теплоотдачей. Интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей его жидкостью, паром или газом характеризуется коэффициентом теплоотдачи, измеряемым в Вт/(м2 К). Теплоотдача одного и того же вещества может быть различной. Например, нагретый брусок стали очень быстро охлаждается в воде, медленнее в масле и еще медленнее на воздухе, даже если температуры воды, масла и воздуха одинаковы. Теплоотдача зависит от того, какие теплопередающие тела соприкасаются и как быстро тепло отводится от нагретого тела. На величину коэффициента теплоотдачи влияют разность температур между поверхностью тела и окружающей среды и физические свойства обеих сред. В технике приходится иметь дело со сложными процессами теплообмена, например, с передачей тепла от одной среды к другой через разделяющую стенку. Количество проходящего через стенку тепла зависит от целого ряда факторов: величины площади поверхности, толщины и коэффициента теплопроводности материала стенки, времени, в течение которого поддерживается разность температур с обеих сторон стенки, скорости движения и теплофизических свойств сред с обеих сторон стенки и разности температур. Количественной характеристикой сложного процесса теплообмена через разделяющую стенку служит коэффициент теплопередачи, на величину которого влияют коэффициент теплоотдачи от теплой среды разделяющей стенке, толщина и теплопроводность стенки, коэффициент теплоотдачи от стенки холодной среде. Коэффициент теплопередачи также измеряется в Вт/(м2 К). Зная поверхность теплопередачи, разность температур по обе стороны разделяющей стенки и коэффициент теплопередачи, можно определить общее количество тепла, прошедшее через стенку в единицу времени: Q = F k (t1 – t2) Вт.

 

1.2 Фазовые изменения  веществ

 

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

В процессе получения искусственного холода фазовые изменения веществ, происходящие с поглощением или выделением тепла, находят широкое применение. Количество тепла, которое может поглотить 1 кг рабочего тела холодильной машины, называется холодопроизводительностью рабочего тела. Единицами измерения холодопроизводительности являются Дж/кг или кал/кг. Изменения  агрегатного состояния вещества сопровождаются выделением или поглощением теплоты в связи с внутренней работой по перегруппировке молекул. Так как агрегатное состояние вещества изменяется при постоянной температуре, зависящей от физических свойств и условий перехода вещества из одного состояния в другое, то выделяемая или поглощаемая теплота называется скрытой. Переход твердого тела в жидкое состояние при определенной температуре называется плавлением. Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при постоянной температуре в жидкое состояние, называется скрытой теплотой плавления или просто теплотой плавления. Когда тело при постоянной температуре переходит из жидкого состояния в твердое, выделяется такое же количество тепла. Температура плавления при нормальном давлении называется точкой плавления. Для льда точка плавления равна 0 ' С. Повышение давления при плавлении обычно затрудняет изменение агрегатного состояния и вызывает повышение температуры перехода в жидкое состояние. Температура плавления и затвердевания водных растворов солей зависит от рода соли и концентрации ее в растворе. Наиболее низкая температура плавления и затвердевания раствора определяется криогидратной точкой. Превращение твердых тел сразу в пар, минуя жидкую фазу, называется сублимацией. Количество тепла, необходимое для перехода 1 кг твердого вещества в пар при постоянном давлении и температуре, называется теплотой сублимации. Твердая углекислота при атмосферном давлении переходит в газообразное состояние при – 78 ' С. Кипением называется процесс превращения жидкости в пар, происходящий по всему объему жидкости. Подобно тому, как температура льда во весь период его таяния осталась неизменной, температура жидкости, нагретой до точки кипения, остается постоянной, пока она вся не выкипит. Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг жидкости, доведенной до температуры кипения, в пар, называется удельной теплотой парообразования или теплотой кипения. Теплота парообразования расходуется на преодоление сил взаимного притяжения молекул жидкости и отрыв их от кипящей массы. Испарением называется процесс превращения в пар жидкости, не достигшей точки кипения. Испарение происходит не по всему объему жидкости, а только на поверхности. Процесс, обратный кипению, называется конденсацией. Конденсация протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования. Во время кипения и при конденсации над поверхностью жидкости находится насыщенный пар. Плотность и давление насыщенного пара в присутствии жидкости не изменяется при изменении его объема, при условии, что температура жидкости и пара остается неизменной. Насыщенный пар всегда находится в динамическом равновесии с жидкостью. Давление насыщенного пара для каждой жидкости изменяется только с изменением температуры: чем выше температура, тем больше давление. Насыщенный пар может быть сухим и влажным. Сухой насыщенный пар получается при полном испарении всей жидкости. Влажный пар – смесь сухого насыщенного пара с мельчайшими капельками жидкости, находящимися в нем во взвешенном состоянии.

 

1.3. Понятие о  холодильном цикле

 

Термодинамические процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последовательно различные превращения, возвращается снова в первоначальное состояние, называются замкнутыми процессами или циклами. В системах координат, по осям которых откладываются параметры состояния , такие процессы изображены замкнутыми контурами. За начало и конец цикла может быть принята любая его точка, но обычно за начало цикла принимают начало подвода теплоты к рабочему телу. Различают прямые и обратные термодинамические циклы. Прямые циклы – это циклы тепловых двигателей. В них рабочее тело переносит тепло от нагретого источника к холодному, совершая при этом полезную работу за счет своего расширения (например, в паровой или газовой турбине). В графиках прямых циклов линия расширения всегда расположена выше линии сжатия, а сам цикл совершается по часовой стрелке. Назначение холодильных машин – отбирать тепло от охлаждаемого объекта и возвращать его более теплой окружающей среде. Холодильная машина представляет собой замкнутую систему, внутри которой циркулируется рабочее тело, называемое холодильным агентом или хладагентом. Чтобы перенести тепло, необходимо затратить внешнюю энергию на сжатие хладагента. Работа сжатия в холодильных машинах всегда больше работы расширения. Линия сжатия на графиках холодильных циклов располагается выше линии расширения, а сам цикл совершается против часовой стрелки. Поэтому такие циклы называют обратными или холодильными циклами. Для эффективной работы холодильной машины не безразлично, из каких процессов состоит совершающийся в ней обратный цикл. Стремятся создать такие циклы, в которых получение холода происходит с минимальной затратой внешней энергии. Наиболее совершенным холодильным циклом является обратный цикл Карло, получивший свое название по имени французского инженера, который предложил и исследовал его в середине 19 века. Этот цикл состоит из двух изотермических  и двух адиабатных процессов. В изотермическом процессе к холодильному агенту подводится тепло от охлаждаемой среды, при этом температура остается постоянной. Точка 1 характеризует состояние паров хладагента, температура которых соответствует температуре охлаждаемой среды. В процессе адиабатного сжатия протекающего без теплообмена с окружающей средой, температура и давление паров хладагента возрастают до значений, при которых начинается конденсация их в жидкость. Это состояние характеризуется на графике точкой. На этот процесс затрачивается работа. Процесс конденсации протекает при постоянной температуре Тк и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится в окружающую среду. Точка на графике характеризует состояние, при котором процесс конденсации заканчивается и пары холодильного агента полностью переходят в жидкое состояние. В адиабатном процессе расширения холодильный агент понижает свою температуру от температуры до температуры охлаждаемого объекта То. При этой температуре начинается процесс испарения жидкого хладагента, который протекает при постоянной температуре То и сопровождается поглощением скрытой теплоты парообразования. Площадь заштрихованного прямоугольника изображает внешнюю работу, которую надо затратить для передачи тепла 1 кг хладагента от охлаждаемого объекта теплой окружающей среде. Отведенное тепло выражается площадью прямоугольника. Цикл Карно является идеальным циклом. Он предполагает, что температура охлаждаемой среды То не понижается, а температура окружающей среды не повышается. Кроме того, в этом процессе предполагается отсутствие разности температур между источниками тепла и холодильным агентом, т.е. То, является температурой кипения холодильного агента и охлаждаемого объекта, а – температура конденсации холодильного агента и окружающей среды. Практически температура охлаждаемого объекта всегда должна быть выше температуры кипения холодильного агента. Тогда тепло от охлаждаемого объекта самопроизвольно перейдет к более холодному холодильному агенту в процессе . Температура окружающей среды, т.е. воздуха или воды, должна быть ниже температуры сжатых паров холодильного агента, тогда произойдет охлаждение и конденсация паров. Исследования показали, что не существует других холодильных циклов, в которых работа, затраченная на передачу тепла от холодного источника к теплому, была бы меньше, чем в цикле Карно. Действительные, реальные циклы холодильных машин отличаются от теоретического цикла Карно. Однако при создании холодильных машин стремятся к тому, чтобы совершающийся в них цикл как можно больше приближается к циклу Карно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2 ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ. ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЬЯВЛЯЕМЫЕ К СХЕМАМ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

 

2.1 Типы холодильных  машин, системы охлаждения

 

Типы холодильных машин. Холодильные машины по принципу получения холода делятся на две группы: работа одной из них связана с затратой механической энергии, другой – с затратой тепла. К первой группе относятся наиболее распространенные в современной технике компрессионные холодильные машины, ко второй – абсорбционные и пароэжекторные. Принцип работы компрессионных машин основан на сжатии хладагентов компрессором для их конденсации, в абсорбционных машинах хладагенты поглощаются особыми веществами – абсорбентами с последующим их выпариванием при более высоком давлении, соответствующем давлению конденсации. В пароэжекторной водяной холодильной машине испарение воды происходит при низком давлении, создаваемом струйным аппаратом – паровым эжектором. Для получения холода применяют также газовые холодильные машины, роль хладагента в которых выполняет воздух. Такие машины входят в состав установок по получению азота, кислорода и аргона из воздуха. Холодильной установкой называется объединение холодильной машины с другими элементами, осуществляющими процессы распределения и потребления холода. Для получения холода иногда используются машины с незамкнутым циклом, т.е. без возврата испарившегося хладагента, например, установки для получения твердой углекислоты. Наиболее эффективный способ непрерывного охлаждения связан с процессами кипения жидкого хладагента и его последующей конденсацией в паровых холодильных машинах. Системы охлаждения. А зависимости от условий использования холода, температурного уровня, конструктивных возможностей и назначения аппаратов, потребляющих холод, а также от требований техники безопасности, применяют систему охлаждения: с промежуточным хладоносителем или непосредственного испарения. В системе с промежуточным хладоносителем вода, раствор солей или жидкость с низкой температурой замерзания охлаждается в испарителе холодильной машины и по трубопроводам циркуляционным насосам подаются к местам потребления холода. Такие системы используют при передаче холода на значительные расстояния, при разветвленной сети, а также в случаях, когда контакт хладагента с охлаждаемой средой опасен. В системе с промежуточным хладоносителем процесс теплопередачи происходит дважды: от охлаждаемой среды к хладоносителю и от него в испарителе – к хладагенту, поэтому холодильная установка должна работать с более низкой температурой, чем в системе без промежуточного хладоносителя. Лишь при этом условии будет достигнут необходимый температурный перепад между охлаждаемой средой и хладоносителем. На циркуляцию хладоносителя, помимо этого, затрачивается энергия, расходуемая насосом. Все это увеличивает вес и стоимость оборудования холодильной установки, вызывает необходимость изготовления и монтажа оборудования для приготовления, хранения, охлаждения и циркуляции хладоносителя. В системах непосредственного испарения холодильный агент кипит в аппаратах, потребляющих холод. Эти системы применяются в холодильных установках всех диапазонов, особенно при низких температурах охлаждения, когда выбор хладоносителя затруднен. В этих установках тепло сразу передается от охлаждаемой среды к хладагенту. Отпадает необходимость поддержания двойного температурного перепада. Становятся излишними громоздкие системы приготовления и циркуляции хладоносителя. Установки непосредственного испарения экономичнее систем с хладоносителем, однако им также присущи недостатки: - отсутствие способности аккумулировать холод; - усложнение конструкции аппаратов потребителей холода; - необходимость разводки большого количества хладагента, зачастую более взрывоопасного и токсичного, чем хладоноситель, большая опасность его утечки в помещения, где находятся потребители холода; - трудность регулирования подачи хладагента к потребителям с колеблющимся притоком тепла. Кроме того, системы непосредственного испарения нецелесообразно применять при подаче холода из крупных холодильных установок на большие расстояния; при заполнении разветвленных систем дорогостоящими хладагентами; при большом влиянии давления столба жидкого хладагента на температуру его кипения; в установках кондиционирования воздуха при использовании токсичных хладагентов. По мере усовершенствования способов автоматического регулирования подачи хладагента, оснащения промышленности машинами, защищенными от гидравлических ударов, и перехода на безопасные хладагенты, системы непосредственного испарения, как более экономичные, будут вытеснять системы с промежуточным хладоносителем. В установках кондиционирования воздуха на мясо- и рыбохолодильниках пользуются системой воздушного охлаждения. Здесь воздух, подаваемый в помещения, предварительно охлаждается в специальных аппаратах – воздухоохладителях, т.е. он по существу является промежуточным хладоносителем. Тепловой насос. В любой холодильной машине при затрате подведенной извне работы тепло передается от холодного испарителя к теплому конденсатору. Подбирая хладагенты, имеющие высокие температуры конденсации, или уменьшая подачу воды на конденсатор, можно получить такую температуру охлаждающей воды после конденсатора, которая позволит использовать ее для отопления зданий, горячего водоснабжения и т.д. Такая машина будет работать в режиме теплового насоса, т.е. будет передавать тепло от холодного испарителя к горячему теплоносителю. Тепловые насосы могут использоваться для установок сезонного отопления и охлаждения зданий. В качестве хладагента применяются фреон-12, фреон-142 и фреон-11. Комбинированное производство тепла и холода позволяет использовать одни и те же установки для конденсирования воздуха – летом и для отопления помещений с подачей тепла или холода на кондиционеры – зимой. Тепловые насосы позволяют использовать тепло низкого потенциала, применение которого для других целей практически невозможно. Вода с температурой 30-40 С, нагретая за счет снятия тепла в химических или металлургических производствах, подается на конденсаторы холодильной установки, работающей в режиме теплового насоса, где нагревается до температуры 60-70 С и используется для горячего водоснабжения.