Министерство образования РФ


Санкт-Петербургский государственный университет

низкотемпературных и пищевых технологий





Кафедра холодильных установок










 


КУРСОВАЯ РАБОТА

«Оптимальное проектирование авторефрижераторов»







Выполнила: 

студентка 154 группы


 











Санкт-Петербург

2004

1. Исходные данные к работе


Расчетная температура наружного воздуха = 34ºС

Температура в охлаждаемом объеме – минус 3ºС

Перевозимый продукт – бекон охлажденный

      4    Кузов авторефрижератора -  20 футовый.



2. Определение расчетного коэффициента теплопередачи


Кр =  EMBED Equation.3   ,


где Fст – суммарная площадь поверхности боковых стенок контейнера, м2,

Fт – суммарная площадь поверхности торцевых стенок контейнера, м2,

Fкр – площадь крыши контейнера, м2,

Fкр – площадь пола контейнера, м2.

 

  Для определения  расчетного коэффициента теплопередачи изоляционную конструкцию разбиваем на зоны мысленными абсолютно нетеплотворными и бесконечно тонкими мембранами, перпендикулярными поверхности ограждения.


К  =  EMBED Equation.3  ,


где αн, αв – коэффициенты теплоотдачи к наружной и внутренней поверхностям ограждения. Считаем,  что αн,= αв = 10 Вт/(м2К),

δi – толщина i-ого слоя конструкции, мм,

λi – коэффициент  теплопроводности i-ого слоя конструкции, Вт/(мК)


  Теплоизоляционную конструкцию пола  см. рис 1. 

 

    К1 =    1/(1/10 + 0,001/75 + 0,025/0,17 + 0,15/0,05 + 0,001/75 + 0,025/0,17 +

+ 1/10) = 0,65 Вт/(м2К)

           

    К2 = 1/(1/10 +0,001/75 + 0,025/0,17 + 0,15/0,17 +0,025/0,17 + 0,001/75 + 1/10) =

= 0,73 Вт/(м2К)

   

Тогда  Кр = К1  EMBED Equation.3   + К2 EMBED Equation.3   = 0,65 EMBED Equation.3  + 0,73 EMBED Equation.3  = 0,65 Вт/(м2К).

 Теплоизоляционную конструкцию стеновых ограждений и крыши  см. рис 2.


    К1 =    1/(1/10 + 0,0012/75 + 0,025/0,3 + 0,15/0,05 + 0,0012/75 + 

+ 1/10) = 0,31 Вт/(м2К)

   

    К2 = 1/(1/10 +0,0012/75 + 0,025/0,3 + 0,15/0,3  + 0,0012/75 + 1/10) =

= 1,27 Вт/(м2К)


   

Тогда  Кр = К1  EMBED Equation.3   + К2 EMBED Equation.3   = 0,31 EMBED Equation.3   + 1,39 EMBED Equation.3  = 0,36 Вт/(м2К)

Контейнер имеет размеры 6х2,4х2,7 м.


Тогда  К =  EMBED Equation.3   = 0,41 Вт/(м2К)


3.Расчет теплопритоков


Определяем условную температуру наружного воздуха


 EMBED Equation.3  tн.у = tр +  EMBED Equation.3  I,

где Еп = 0,7– коэффициент поглощения солнечных лучей,

αн = 10 Вт/(м2К) - средний коэффициент конвективной теплоотдачи на наружной поверхности контейнера,

I – 1080 Вт/м2 - интенсивность солнечной радиации (на крышу и боковые стенки транспортного средства).


 EMBED Equation.3  tн.у = 34 +  EMBED Equation.3  ºС

Суммарный теплоприток через ограждение с учетом солнечной радиации


Q2 + Q1с = кF(tн.у  - tпм)  = 0,41 90 (84,4 – (-3)) = 3200Вт = 3,2 кВт



Суммарный теплоприток от груза 


Q2’ = EMBED Equation.3  ,

где      Мг = Vγ = 39 · 0,4 = 15,6 т – масса груза,

i1 = 92 кДж/кг – энтальпия груза при температуре поступления t1 = -2ºС.

Считаем, что груз поступает с температурой 0ºС,

i2= 73 кДж/кг – энтальпия груза при температуре выходящего груза  t2 = -3 ºС,

τдоп – время стабилизации температуры груза, 1 сутки


Q2’ = EMBED Equation.3  = 2 кВт


Теплоприток из-за воздухообмена между грузовым помещением и окружающей средой

Q3ф =Gф/3600{ср(tн – tв) + r/1000(dн – dк)},


где Gф - массовый расход воздуха. Для контейнера принимаем Gф = 2,7 кг/ч  при скорости движения транспортного средства 60 км/ч,

r =335 Дж/кг – теплота парообразования,

ср = 1,005 кДж/(кгК) – теплоемкость воздуха,

dн  = 27,5 г/кг, dк = 2,3 г/кг – значение влагосодержаний (по диаграмме влажного воздуха i-d).

Q3ф =2,7/3600{1,005(34 –(-3) + 335/1000(27,5-2,3)} = 3,4 · 10-3 Вт

 

Теплоприток  при оттаивании воздухоохладителей


Qот = (Nтэн τот)/24, где


Nтэн = 3 кВт -  мощность ТЭНов оттайки,

 τот = 4 ч – время оттаивания

Qот = (3· 4)/6 = 2 кВт


Влагоприток при испарение влаги с поверхности груза , кг/с


Gwгр = βгFп(pр” – φр”пм),·

где βг = 65·10-10 кг/(м2сПа) – коэффициент испарения,

Fп = 0,012 Мг  = 0,012·15,6·10-3 = 187 м2 – поверхность груза

р ”п – давление насыщенного водяного пара над поверхностью груза, 

р ”пм – парциальное давление водяного пара в  объеме  контейнера,

Р” = f(t) = 642,3ехр(0,096 t )

р ”п = f(t) = 642,3ехр(0,096 · (-2)) = 530,09 Па

р ”пм = f(t) = 642,3ехр(0,096 · (-3)) = 481,57 Па


Gwгр = 65 10 -10 ·187(530,09 – 0,8 · 481,57) = 1,76 ·10-4 кг/с


Суммарная влажностная нагрузка


Gwн = Gф + Gwгр = 8,05 ·10 -4  + 1,76·10-4 = 9,81·10-4  кг/с


Q *от = Gwн (г + слt0), где

сл  = 2,1 кДж/(кгК) – теплота плавления льда.

Принимаю температуру кипения  минус 13 ºС


Q *от = 9,81 (335 + 2,1(-13)) ·10-4  =  0,3 кВт 


 Суммарный теплоприток 

∑Q = Q1 + Q2’ + Q3ф + Qот + Q *от =  3,2 + 2 + 3,4 · 10-3 + 2 + 0,3 = 7,53 кВт 



4.  Подбор оборудования


    Подбор осуществляется вручную по каталогам производителей оборудования и с помощью  программных продуктов Fincoil, Bitzer по расчетному значению тепловой нагрузки QТ, температуре кипения t0, которая определяется как t0 = tпм -10°С и температуре конденсации tк.  

   Температура конденсации tк = tнр + (10÷15) = 34 + 14 = 48 ºС.


4. 1. Подбор оборудования с помощью каталогов

Принимаем к установке компрессорно-конденсаторный агрегат Bitzer марки

 LH84/4ЕС-6.2Y холодопроизводительностью 7,7 кВт при температуре кипения  минус 15ºС, температуре конденсации 48ºС, потребляемой мощностью 6,88 кВт. Холодильный агент – R404А.


Принимаем к установке воздухоохладитель Fincoil марки АНВ-4 холодопроизводительностью 7,9 кВт, площадью теплообменной поверхности 39 м2, расходом воздуха 1,5 м3/с, двумя вентиляторами диаметром 500 мм, частотой вращения 785 об/мин, потребляемой мощностью 0,55 кВт, мощностью электрической оттайки 3,36 кВт, шагом ребер 12 мм, габаритными размерами 1200х840х835 мм.  

 

4.2. Подбор оборудования с помощью программных продуктов  Bitzer, Fincoil

С помощью программного продукта фирмы  Bitzer подобран компрессорно-конденсаторный агрегат LH 84/4ЕС-6.2Y-40S холодопроизводительностью 9,01 кВт при температуре кипения  минус 15ºС, температуре конденсации 45,5ºС, потребляемой мощностью 5,0 кВт. Габаритные размеры 1000х672х837 мм.  

С помощью программного продукта фирмы  Fincoil подобран воздухоохладитель  

PC-3-12-3С-700-SSО холодопроизводительностью 7,53 кВт, площадью теплопередающей поверхности 34,4 м2, расходом воздуха 1,64 м3/с, двумя вентиляторами диаметром 450 мм, частотой вращения 785 об/мин, потребляемой мощностью 0,11 кВт, мощностью электрической оттайки 3,36 кВт, шагом ребер 12 мм, габаритными размерами 2050х715х780 мм, коэффициент теплопередачи 0,022 кВт/м2К.


QK=QK’/f2f4,


где f4 - поправочный коэффициент, зависящий от марки хладагента, (для R404A f4 = 1)

 f2 – поправочный коэффициент, зависящий от температуры конденсации и температуры наружного воздуха (определяется по графику, при tk = 48 °C и tнр = 34°С,

f2 = 0,8).

По марке выбранного конденсатора определяется площадь теплопередающей поверхности FK, и объемный расход воздуха VK.

QK=kKFKnKθK

QK=VKnKcBρB(tвк-tнр)

θK=(tвк-tнр)/[ln(tвк-tнр)/(tk- tвк)].

Получаем QK = 21,48 кВт, VK = 5170 м3/ч, FK = 40 м2, θK = 9 К, kK  = 0,045 кВт/м2К.


Размещение оборудования см. рис. 4.


5. Аппроксимация характеристик компрессорно-конденсаторного агрегата


По информации для выбранного компрессора с помощью программы аппроксимации получаем значения коэффициентов уравнения для холодопроизводительности Q и потребляемой мощности N:


Q = a1 + a2t0 + a3t02 + a4t0tk + a5tk

N = b1 + b2t0 + b3t02 + b4t0tk + b5tk


  Q0 = f(t0, tк), кВт

t0, tк

-10

- 15

-20

27

11,759

9,760

7,975

32

10,708

8,849

7,192


 N= f(t0, tк), кВт

t0, tк

-10

-15

-20

27

5,05

4,56

4,08

32

5,62

4,73

4,20


Программа аппроксимации


Program Apr;

Uses skmath2;

рrocedure forma (х: massiv; var pri:massiv);

begin

pri [1]: = 1;

pri [2]: = х[1]; 

pri [3]: = х[1]*х[1];

pri [4]: = х[1]*х[2];

pri [5]: = х[2];

еnd;

begin

Apro (Forma);

end.

































Схема балансов теплопритоков и влагопритоков контейнера:

 SHAPE  \* MERGEFORMAT 

 

 



 




























6. Математическая  модель холодильной установки.


1. Уравнение теплового баланса воздухоохладителя:

QT=VВОnВОcBρB(tпм-tB2),

где tB2 – температура воздуха на выходе из воздухоохладителя,

VВО – объемный расход воздухоохладителя,

nВО – количество воздухоохладителей,

cB – теплоемкость воздуха,

ρB – плотность воздуха.


2. Уравнение теплопередачи воздухоохладителя:

QT = k0FBOnBOθBO,

где k0 – коэффициент теплопередачи воздухоохладителя,

FВО – площадь теплопередающей поверхности воздухоохладителя,

θBO – логарифмическая разность температур tпм и tB2,

θBO=(tпм-tB2)/ln[(tпм-t0)/(tB2-t0)].


3. Холодопроизводительность компрессора:

Q0 = Qb,

где b – коэффициент рабочего времени.


4. Уравнение теплового баланса:

QK = Nb + QT


5. Уравнение теплового баланса воздушного конденсатора:

QK = VKnKcBρB(tвк-tнр),

где VК – объемный расход конденсатора,

nК – количество конденсаторов,

tвк – температура на выходе из конденсатора.


6. Уравнение теплопередачи конденсатора:

QK = kKFKnKθK,

где kK – коэффициент теплопередачи конденсатора,

 FK – площадь теплопередающей поверхности конденсатора,

 θK – логарифмическая разность температур tвк и tнр

θK = (tвк-tнр)/[ln(tвк-tнр)/(tk- tвк)]

 Оптимизацию эксплуатационных режимов холодильной установки:

 Приведенные затраты

П = ∑Сi/T + Cэτ∑Nibi

Сi – стоимость i-того вида оборудования,

T – срок окупаемости = 2-5 года,

Cэ – стоимость электроэнергии,

τ –время работы,

Ni – мощность i-того вида оборудования,

bi – коэффициент рабочего времени,

Расчет сводится к минимизации приведенных затрат.

Оптимизацию проводим по стоимости электроэнергии.






program KP;

Uses SkMath2;

const Vvo=1.64;cv=1.005;rv=1.27;Tpm=-3;Tvk=48;Kvo=0.022;Fo1vo=34.4;

Vvk=1.44;nvk=1;Tnr=34;Kkd=0.045;Fkd=40;tay=8000;Nvo=0.17 ;

var Ckmkd,Cvo,C1e,Nkd,Nkm,Tepl1,Q0,Ncym,Pzatr :real; x :massiv;


Function Tepl:real;

const Kn=0.41;Fn=90;Tny=84.4;Tpm=-3;Mg=15.6;i1=92;i2=73;Gf=2.7;cp=1.005;

Tn=34;Nten=3;dn=27.5;dv=2.3;cl=2.1;rpl=335;bn=65e-10;Fp=187;tayot=4;

fi=0.8;

var p2n,p2pm,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Gwgr,Gwn:real;

begin

p2n:=642.3*exp(0.096*(Tpm-10));

p2pm:=642.3*exp(0.096*Tpm);

Q1:=Kn*Fn*(Tny-Tpm)/1000;

Q2:= Mg*(i1-i2)*1000/(3600*24);

Q3:=(Gf/3600*(cp*(Tnr-Tpm)+(rpl*(dn-dv))/1000))/1000;

Q4:=Nten*tayot/24;

Gwgr:=bn*Fp*(p2n-fi*p2pm);

Gwn:=Gf+Gwgr;

Q5:=(Gwn*(rpl+cl*(Tpm-10))/1000);

Tepl:=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5;

end;


procedure Sistnelur(x:massiv;var f:massiv);

begin

f[1]:=Vvo*cv*rv*(Tpm-x[2])-Tepl1;

f[2]:=Kvo*Fo1vo*((tpm-x[2])/ln((Tpm-x[1])/(x[2]-x[1])))-Tepl1;

f[3]:=(23.6993-0.3324*x[1]-0.0294*x[1]*x[1]-0.2173*x[4]+

      0.0003*x[1]*x[4])*x[3]-Tepl1;

f[4]:=(4.9573-0.060*x[1]-0.0011*x[1]*x[1]+0.047*x[4]+0.0003*x[1]*x[4])*x[3]-Tepl1;

f[5]:=cv*rv*Vvk*nvk*(x[5]-Tnr)/-Tepl1;

f[6]:=Kkd*Fkd*((x[5]-Tnr)/ln((x[4]-Tnr)/(x[4]-x[2])));

end;


function proizv (C1e:real):real;

begin

proizv:=tay*Ncym;

end;



begin

write ('Введите данные:  Ckmkd= ', '  Cvo=,  ' );

readln(Ckmkd,Cvo);


Tepl1:=Tepl;


nelur (6,sistnelur,x);

Nkm:=(2,5840-0.1292*x[1]-0.0011*x[1]*x[1]+0.158*x[4]+0.0003*x[1]*x[4]);

Ncym:=Nkm*x[3]+Nkd+Nvo;


trur (proizv,C1e);

Q0:=(23.6993-0.3324*x[1]-0.0294*x[1]*x[1]-0.2173*x[4]+

      0.003*x[1]*x[4]);

Pzatr:=(Ckmkd+Cvo)/T+C1e*tay*(Nkm*x[3]+Nkd+Nvo);


writeln ('результаты вычислений: ');

writeln ('T0=',x[1]:6:3);

writeln ('Tv2=',x[2]:6:3);

writeln ('b=',x[3]:6:3);

writeln ('Tk=',x[4]:6:3);

writeln ('Tvk=',x[5]:6:3);

writeln ('Qk=',x[6]:6:9);

writeln ('Pzatr=',Pzatr:6:3, ' Nkm=',Nkm:6:3,'   Ncym=',Ncym:6:3,'   Q0=',Q0:6:3,'    C1e=',C1e:6:3, '   Ckmkd=',Ckmkd:6:3,'    Cvo=',Cvo:6:3 );

end.



Результаты расчета:

х[1] – температура кипения t0 =

х[2] - температура воздуха на выходе из воздухоохладителя tB2 =

х[3] – коэффициент рабочего времени b = 

х[4] - температура конденсации tк =

х[5] - температура на выходе из конденсатора tвк =

х[6] – нагрузка на конденсатор QK = 


 EMBED Equation.3  


 EMBED Equation.3