МУ практика ЭНУ 2110ок
.pdfМинистерство образования республики Беларусь
«МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВИЯ»
Кафедра теплохладотехники
Энергосберегающие низкотемпературные установки
Методические указания к практическим занятиям для студентов специальности
1-362001 «Низкотемпературная техника» специализаций
1-36200101 «Холодильные машины и установки»,
1-36200102 «Оборудование для кондиционирования воздуха»
Могилев 2019
1
УДК 658.562 : 642.5
Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры теплохладотехники Протокол № 11 от 17.05.2019 г.
Составитель
ст. преп. Носикова В.В.
Рецензент
к.т.н., доц. Поддубский О.Г.
© УО «Могилевский государственный университет продовольствия», 2019
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ……………………………..…………………………………………………4 1 Общие положения. ………………………..……………………………..…………..4 2 Задачи, исходные данные и методические указания к выполнению….………….5
2.1Расчет годовых энергозатрат для камеры гидроаэрозольного охлаждения вареных колбас………………………………………………………………………………...5 2.1.1 Расчет энергозатрат в системе холодоснабжения ………....….…..…...............7 2.1.2 Расчет энергозатрат в системе воздухораспределения …….………….............8 2.1.3 Расчет годовых энергозатрат низкотемпературной установки ……….............9
2.2Расчет аккумуляторов холода………………………………………...…………..10
2.2.1Построение графиков изменения тепловой нагрузки на холодильную установку…………………………………………………………...………………...……….11
2.2.2Расчет емкостного аккумулятора холода ……….…………….………............13
2.2.3Расчет льдоаккумулятора холода ……...…………………….………...............14 2.3 Расчет теплового насоса ………………………….................................................16
2.4 Расчет теплообменников утилизации теплоты………………………………….18
Литература …………………………………………………………………….………20
Приложение А. Теплофизические характеристики пищевых продуктов….………21 Приложение Б. Теплофизические свойства веществ и материалов….……………21 Приложение В. Технические характеристики панельных аккумуляторов….….…21 Приложение Г. Зависимость холодопроизводительности и электрической
мощности холодильных машин марки МВВ от температур кипения и окружающего воздуха…....……………………………………………………………….…………………..22
Приложение Д. Технические характеристики консольных насосов……………….23 Приложение Е. График зависимости удельного теплового потока от поверхности обогреваемого пола от средней температуры теплоносителя …………………………….23
3
ВВЕДЕНИЕ
Настоящие методические указания разработаны к практическим занятиям по дисциплине «Энергосберегающие низкотемпературные установки» для студентов очной и заочной форм обучения по специальности 1-362001 «Низкотемпературная техника» специализаций 1-36200101 «Холодильные машины и установки» и 1-36200102 «Оборудование для кондиционирования воздуха».
Цель издания – рационально организовать работу студентов на практических занятиях, позволяющих закрепить необходимый для инженера-механика объем знаний энергосбережения на производствах, потребляющих искусственный холод и использующих холодильное оборудование.
В результате выполнения практических заданий студенты должны
знать:
-основные направления государственной политики в области энергосбережения;
-разрабатывать (выявлять) и внедрять эффективные технологии и устройства производства холода в различных производственных процессах;
уметь:
-использовать и прогнозировать основные методы энергосбережения;
владеть:
-методами оценки энергоэффективности технологических процессов и
устройств.
В методических указаниях приведены исходные данные, методика расчета и требования, предъявляемые к выполнению. Содержится необходимый справочный материал и информация о рекомендуемых для самостоятельной работы литературных источниках.
1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
На практических занятиях студенты решают пять задач по семи темам курса. Темы практических занятий и распределение часов аудиторной и самостоятельной работы для студентов очной и заочной форм обучения приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Темы практических занятий и распределение часов аудиторной и самостоятельной работы
№ занятия |
Тема |
Очное |
Заочное |
1 |
Расчет энергозатрат в системе холодоснабжения |
2/2 |
-/4 |
2 |
Расчет энергозатрат в системе воздухораспределения |
2/2 |
-/4 |
3 |
Расчет годовых энергозатрат низкотемпературной |
|
|
|
установки |
2/2 |
-/4 |
4 |
Построение графиков изменения тепловой нагрузки. |
|
|
|
Расчет емкостного аккумулятора холода |
2/2 |
-/4 |
5 |
Расчет льдоаккумулятора холода |
2/1 |
2/1 |
6 |
Расчет теплового насоса |
2/1 |
2/3 |
7 |
Расчет теплообменников утилизации теплоты |
2/2 |
-/2 |
|
Всего: |
14/12 |
4/22 |
|
4 |
|
|
Приведенные в методических указаниях варианты исходных данных для расчетов выдаются преподавателем для индивидуального или группового выполнения заданий и могут быть изменены в зависимости от формы обучения студентов, количества студентов в группе, степени подготовленности и активности студентов.
2 ЗАДАЧИ, ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
2.1 РАСЧЕТ ГОДОВЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТ ДЛЯ КАМЕРЫ ГИДРОАЭРОЗОЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВАРЕНЫХ КОЛБАС
На выполнение задачи 1 отводятся аудиторных занятия 1,2,3 по трем темам в соответствии с таблицей 1.
ЗАДАЧА 1
Камера охлаждения вареных колбас выполнена в виде теплоизолированного аппарата размерами 6300x1700x2600 мм, продукт размещается на пяти напольных тележках по 200 кг на каждой. Размеры тележек 800x1200x1800 мм. Диаметр колбасных батонов в полиамидной оболочке dб=70мм, длина батона lб=250мм. Температура батона в
начале процесса на поверхности tпов.нач.=60°C, в центре tц.нач.= 70°C. Температура батона в конце процесса на поверхности tпов.кон.= 10°C, в центре tц.кон.= 15°C. Система распределения воздуха – через щели верхнего перфорированного канала, размещенного над рабочей зоной. Перфорированный канал имеет размеры: длина канала lк=5·lт=5·1200=6м, ширина канала bк=bт=0,8м. Размеры щелевого отверстия: длина lот=0,6м, ширина bот=0,06м, шаг между отверстиями tот=0,15м. Средняя температура воздуха в камере tв=5°C, скорость воздуха в рабочей зоне vр.з=0,5÷5м/c (задается индивидуально с любым интервалом).
Схема камеры охлаждения вареных колбас в гидроаэрозольной среде с верхней подачей воздуха представлена на рисунке 1.
Выполнить анализ годовых энергозатрат на работу системы гидроаэрозольного охлаждения вареных колбас. Определить систему наиболее эффективную по энергозатратам. Для анализа результаты индивидуальных расчетов, выполненных для разных значений скорости движения воздуха в рабочей зоне, должны быть сведены в таблицу 2.
5
|
ВО |
|
КВ |
ВБ |
|
Ф |
ПК |
|
вода |
ВК |
|
ПК – поточный клапан; ВК – вытяжной клапан; КВ – камера выравнивания; ВО – воздухоохладитель; ВБ – вентиляторный блок; Ф – форсунки оросительной системы
Рисунок 1 – Схема камеры охлаждения вареных колбас в гидроаэрозольной среде с верхней подачей воздуха
Таблица 2 – Сводная таблица результатов расчетов
|
|
|
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
|
|
|
Расчетная |
1 |
2 |
|
3 |
4 |
|
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
||
величина |
|
|
Скорость воздуха в рабочей зоне vр.з , м/c |
|
|
|
||||||||
|
0,5 |
1 |
|
1,5 |
2 |
|
2,5 |
3 |
3,5 |
|
4 |
4,5 |
|
5 |
τохл, мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Qо, кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Qор, кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Vхл, м3/ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nдв, кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
vо, м/c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
vв, м/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V, м3/c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Hпр.з, кПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Hпр, Па |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H, Па |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nвент, кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nобщ, кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Gгод, т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nгод, кВт ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nуд, кВт ч/т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2.1.1 РАСЧЕТ ЭНЕРГОЗАТРАТ В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
Общая масса продукта Gпр, кг:
Gпр = nT ∙ mпр , |
|
|
|
(1) |
||
где nT – количество тележек; |
|
|
|
|
|
|
mпр – масса продукта, кг |
|
|
|
|
|
|
Количество теплоты, отводимой от продукта, ∑Qобщ, кДж: |
|
|
|
|||
∑Qобщ = 1,05 ∙ Gпр ∙ Cпр ∙ (tнач − tкон), |
|
|
(2) |
|||
где спр– удельная теплоёмкость продукта, кДж/(кг∙К), (приложение А); |
|
|||||
tнач., tкон. – средние объемные температуры продукта в начале и в конце |
||||||
процесса соответственно, . |
|
|
|
|
|
|
Для продуктов цилиндрической формы |
|
|
|
|
||
tнач. = (tпов.нач. +tц.нач.) / 2 |
|
|
|
(3) |
||
tкон. = (tпов.кон. +tц.кон.) / 2 |
|
|
|
(4) |
||
Продолжительность охлаждения колбасы, охл, с: |
|
|
|
|
||
|
d2 |
t |
−t |
|
||
охл = 0,5 ∙ |
пр |
∙ [(2,3 Bi + 0,8) ∙ lg |
нач |
в |
+ 0,12], |
(5) |
|
|
|
||||
|
4∙ пр |
tкон−tв |
|
|||
где dпр– диметр продукта (колбасных батонов), м;
пр– коэффициент температуропроводности продукта (колбасы), м2/с.
(Приложение А); |
|
|
|
|
|
|
Bi – |
критерий Био; |
|
|
|
|
|
В – средняя температура воздуха в камере, . |
|
|||||
Критерий Био, вычисляется по формуле |
|
|
|
|||
|
Bi = |
α∙dпр |
, |
|
(6) |
|
|
2∙λпр |
|
||||
|
|
|
|
|
||
где α – коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к воздуху, Вт/(м2К); |
||||||
пр |
– коэффициент теплопроводности продукта (колбасы), |
Вт/(м∙К), |
||||
(приложение А). |
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теплоотдачи α , Вт/(м2К), определяется по формуле |
|
|||||
|
α = 6,16 + 4,19 v р.з., |
(7) |
||||
где v р.з. – скорость воздуха в рабочей зоне, |
|
|||||
Полезный расход холода 0, кВт: |
|
∑ общ |
|
|
||
|
0 = |
|
(8) |
|||
|
|
охл |
||||
|
|
|
|
|||
Рабочая холодопроизводительность холодильной машины ор, кВт:
|
= |
0∙Кз |
, |
(9) |
|
||||
ор |
|
во∙вр |
|
|
|
|
|
||
где Кз – коэффициент запаса (потерь). Принимается равным 1,05 ÷ 1,07 /1/;во – коэффициент эффективности воздухоохладителя. Принимается
равным 0,92 ÷ 0,98 /1/;
вр – коэффициент рабочего времени холодильной машины. Принимается равным 0,6 ÷ 0,92 /1/.
Температура кипения холодильного агента t0, :
t0 = tхл.ср − ∆tи, |
(10) |
где хл.ср – средняя температура хладоносителя в воздухоохладителе, ;
∆tи – разница температур между температурой кипения хладагента и средней температурой хладоносителя, . Оптимальное значение ∆tи = 4÷6 /1/.
Средняя температура хладоносителя хл.ср, :
7
tхл.ср = tВ − ∆tв, |
(11) |
где ∆tв − разность температур между средней температурой воздуха в камере и средней температурой хладоносителя, . Оптимальное значение ∆tв = 6 ÷ 8 /1/.
Расход хладоносителя хл, м3/с:
Vхл = |
Qор |
, |
(12) |
|
ρх.п∙Cхл∙∆tхл |
||||
|
|
|
где Cхл – удельная теплоёмкость хладоносителя, кДж/(кг∙ К), (приложение Б);х.п – плотность хладоносителя, кг/м3, (приложение Б); ∆ хл. – нагрев хладоносителя в испарителе . ∆ хл = 2÷4 /1/.
Температура конденсации хладагента в воздушном конденсаторе tк, :
tк = tц + (10 ÷ 12) , (13)
где tц – температура воздуха в технологическом цехе. По санитарным нормам tц =
18 ÷ 20 /2/. |
|
Расход воды, подаваемой к форсункам W, м3/с: |
|
W = qф · nт · nф, |
(14) |
где qф − производительность форсунки, м3/с. qф |
= 0,05 м3/с /3/; |
nф – число форсунок.
По рассчитанным значениям рабочей холодопроизводительности холодильной машины в расчетном режиме ор, кВт, расхода хладоносителя хл, м3/с, и расхода воды W, м3/с, в соответствии с приложениями В, Г подбираются соответственно марка холодильной машины, насоса для хладоносителя и насоса для воды.
Суммарная мощность, потребляемая электродвигателями системы охлаждения Nдв,
кВт:
Nдв, = Nкм + Nхл. + Nw, |
(15) |
где Nкм – мощность электродвигателя компрессора холодильной машины, кВт; Nхл. – мощность электродвигателя насоса для хладоносителя, кВт;
Nw – мощность электродвигателя насоса для подачи воды к форсункам, кВт. Значения мощности, потребляемой электродвигателями, принимаются в
соответствии с техническими характеристиками подобранного оборудования,
приведенными в приложениях Г, Д. |
|
|
|
2.1.2 РАСЧЕТ |
ЭНЕРГОЗАТРАТ |
В |
СИСТЕМЕ |
ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ |
|
|
|
Скорость приточного воздуха v0, м/с: |
|
|
|
|
v 0 = 1,5 v р.з , |
|
(16) |
где v р.з – скорость воздуха в рабочей зоне, м/с.
Скорость воздуха в воздуховодах vв , м/с:
|
vв = 0,8 ∙ v0 |
(17) |
Площадь сечения воздухораздающей панели fк, м2: |
|
|
|
fк = lк ∙ bк |
(18) |
где lк, bк – длина и ширина перфорированого канала, м. |
|
|
Общая площадь отверстий ∑ fот, м2: |
|
|
|
∑ fот = lот ∙ bот ∙ nот |
(19) |
где l , |
b −длина и ширина отверстий, м2 ; |
|
от |
от |
|
nот – количество отверстий. Определяется, исходя из заданных длины канала lк, |
||
м, и шага между отверстиями tот, м, по формуле |
|
|
|
nот = lк /tот |
(20) |
|
8 |
|
Коэффициент живого сечения
Кж.с = |
∑ fот |
|
|
|
(21) |
|
fк |
|
|
||||
|
|
|
|
|||
Расход воздуха через щели канала V, м3/ч: |
|
|
|
|||
V = vо ∙ Kж.с ∙ fк ∙ 3600 |
(22) |
|||||
Потери напора в приточной системе Hпр, Па: |
|
|
|
|||
Hпр = Hво + Hпр.к |
|
(23) |
||||
где пр.к − потери напора в приточном канале, Па; |
|
|
||||
во − потери напора в воздухоохладителе. Состовляют 90Па /1/. |
|
|||||
Hпр.к = 1, 1 (∑ ξ |
ρ∙vпр2 |
), |
(24) |
|||
2 |
||||||
|
|
|
|
|
||
где ρ – плотность воздуха, кг/м3, (приложение Б); |
|
|
||||
vпр – скорость воздуха в приточном канале, м/с; принимается равной скорости воздуха в воздуховодах, т.е. vпр = vв;
∑ ξ − сумма коэффициентов местных сопротивлений в перфорированном
канале. |
|
∑ ξ = ξпр1 ∙ lк , |
(25) |
где ξпр1 − среднее значение коэффициента местного |
сопротивления |
перфорированного канала длиной один метр. Для каналов типовой конструкции конструкций типа ВПК и других, аналогичных применяемым, ξпр1=1,6÷1,2 /4/. Так как коэффициент живого сечения принят максимальный, то принимаем минимальное
значение ξпр1=1,6. |
|
|
Потери напора в вытяжном |
канале, Hвыт.к, равны потерям в |
приточном |
канале, Hпр.к, так как вытяжной канал также перфорированный, а скорость в нем воздуха |
||
равна скорости в приточном канале. |
|
|
Общие потери напора в системе воздухораспределения H, Па: |
|
|
H = 1,1(Hвыт.к + Hпр.к + Hво) = 1,1(Hпр.к + Hпр) |
(26) |
|
Мощность электродвигателя |
вентилятора системы воздухораспределения |
|
Nвент, кВт, с учётом расхода воздуха и общими потерями напора определяется по формуле |
||
|
Nвент = |
|
V∙H∙Kз |
, |
(27) |
|
3600∙1000∙ɳв∙ɳм∙ɳэл |
||||
|
|
|
|
||
где |
ɳв – к.п.д. вентилятора; ɳв=0,7 /4/; |
|
|
||
|
ɳм − к. п. д. механической передачи; ɳв = 0,85/4/; |
|
|||
|
ɳэл – к.п.д. электродвигателя; |
ɳэл = 0,9 /4/; |
|
||
|
з=1,2 – коэффициент запаса /4/. |
|
|
||
2.1.3 РАСЧЕТ ГОДОВЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ УСТАНОВКИ
Общая мощность оборудования системы гидроаэрозольного охлажденияNобщ, кВт:
|
Nобщ = Nвент + Nдв |
|
(28) |
где Nдв – мощность двигателей оборудования системы холодоснабжения, кВт; |
|||
Nвент – мощность |
электродвигателя |
вентилятора |
системы |
воздухарспределения, кВт. |
|
|
|
Время работы камеры в год τгод, ч: |
|
|
|
|
τгод = nр.дн · nч.сут |
|
(29) |
где nр.дн- количество рабочих дней в году (nр.дн = 260); |
|
||
nч.сут- количество рабочих часов в сутках (nч.сут.= 16 ч). |
|
||
|
9 |
|
|
Время работы камеры в режиме охлаждения с учётом загрузки и разгрузки камеры за год τохл.год , ч:
τохл.год = 0,9 ∙ τгод |
(30) |
|||
Годовой выпуск продукции Gгод, т: |
|
|
|
|
Gгод = |
Gпр∙τохл.год 3600 |
(31) |
||
τохл 1000 |
|
|||
|
|
|||
где Gпр - общая масса продукта, кг;
τохл.год- время работы в режиме охлаждения, ч; τохл - продолжительность охлаждения колбасы, с.
Годовые энергозатраты Nгод, кВт·ч:
Nгод = Nобщ ∙ τгод |
(32) |
||
где Nобщ- общая мощность оборудования всей системы, кВт; |
|
||
τгод- время работы камеры в год, ч. |
|
||
Удельные годовые энергозатраты Nуд, кВт·ч/т: |
|
||
N = |
Nгод |
, |
(33) |
|
|||
уд |
Gгод |
|
|
|
|
||
Проанализировав результаты расчета годовых энергозатрат на работу системы гидроаэрозольного охлаждения варёных колбас при разных значениях скорости движения воздуха в рабочей зоне (таблица 2), определить наиболее эффективную систему, с минимальными затратами энергии на тонну выпускаемой продукции.
2.2 РАСЧЕТ АККУМУЛЯТОРОВ ХОЛОДА
Аккумуляторы (накопители) холода целесообразно использовать в двух случаях:
-при неравномерной тепловой нагрузке на холодильную установку для ее сглаживания и снижения ее расчетной величины для подбора менее энергоемкого оборудования;
-при наличии различного тарифа на электроэнергию, с целью накопления в период пониженной тепловой нагрузки более дешевого холода и использования его в период, когда стоимость электроэнергии более высокая.
Различают два вида аккумуляторов холода:
-емкостные, в которых холод накапливается путем понижения температуры хладоноситела без его замерзания;
-льдоаккумуляторы, в которых происходит охлаждение и замораживание хладоносителя, т.е. используется скрытая теплота фазового перехода.
По теме выполняются задачи 2 и 3, на выполнение которых отводятся аудиторные занятия 4,5 по трем темам в соответствии с таблицей 1.
ЗАДАЧА 2 |
|
|
|
|
|
Определить |
емкость |
(вместимость) |
бака-аккумулятора |
холода |
и |
холодопроизводительность холодильной установки тренировочного катка, работающего по графику, приведенному в таблице 3. Потребителями холода в здании тренировочного катка являются ледяное поле (для студентов специализации 1-36200101) или кондиционируемый воздух зрительного зала (для студентов специализации 1-36200102). Потребитель холода охлаждается в испарителе холодильной установки хладоносителем
– 54%-ным водным раствором этиленгликоля с температурой замерзания tз = −40 .
Температура хладоносителя, на входе |
в |
испаритель |
= −10 . Температура |
|
|
1 |
|
хладоносителя на выходе из испарителя |
|
= −15 . Температура хладоносителя в |
|
|
2 |
|
|
|
10 |
|
|