Заправка агрегата холодильным агентом осуществляется через штуцер Шредера.
1 - компрессор; 2 - клапан четырехходовой; 3 - конденсатор воздушный; 4 - капиллярная трубка; 5 - воздухоохладитель; 6 - отделитель жидкости; 7 - вакуум-насос; 8 - холодильная камера.
Рисунок 2.8 - Принципиальная схема холодильной установки
2.3 Расчет теплоизоляции
В качестве теплоизоляционного материала для камеры замораживания принимаем теплоизоляционный материал «K-FlexAIR». K-Flex имеет значение коэффициента теплопроводности равное л=0,034 Вт/(м2ЧК)[7]. Металл, из которого изготовлен цилиндр, имеет значение коэффициента теплопроводности равное л=0,54 Вт/(м2ЧК). Внутри камеры будут установлены устройства вызывающие принудительную конвекцию воздуха,
поэтому коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности цилиндра принимаем равным бвн= 11 Вт/ (м2ЧК)[10]. Расчетный коэффициент тепло-
отдачи от наружной поверхности теплоизоляционной конструкции к окружающему воздуху бнар= 5 Вт/ (м2ЧК)[7]. Температура внутри камеры tвн= -30оС, температура окружающей среды tокр. ср. = 25оС.
Изолируемый объект имеет форму цилиндра. Можно применить методику расчета изоляции трубопроводов. При определении теплоизоляции трубопроводов необходимо учитывать неравенство и подбирать диаметр изоляции Dиз>Dкр, где Dкр - критический диаметр теплоизоляции, при котором тепловой поток qво внутрь трубопровода принимает максимальное значение.
Критический диаметр теплоизоляции трубопроводDкр, м, определяется по формуле(2.1)[12]:
где - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала K-Flex, Вт/ (мЧК);
- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности конструкции, Вт/ (м2ЧК).
Толщина теплоизоляции, определяется по формуле (2)[12]:
где - наружный диаметр трубы, м.
поскольку неизвестно, используем метод последовательных приближений, в результате чего находим и = 0,3285 м, что удовлетворяет условию
2.4 Расчет теплопритоков в холодильную камеру
2.4.1 Теплоприток через цилиндрическую поверхность
Длина окружности цилиндра по формуле(2.3):
Площадь развертки цилиндра по формуле(2.4):
где: А = 0,3855 м - ширина развертки цилиндра.
Длина окружности фланца по формуле(3):
Площадь развертки фланца по формуле(4):
Теплоприток, возникающий вследствие разницы температур через по формуле (2.5)[10]:
цилиндр
, (2.5)
,
где по формуле(2.6)[10]:
- коэффициент теплопередачи стенки камеры замораживания.
фланец цилиндра
где коэффициент теплопередачи через фланец по формуле (2.6):
Q1 = Q1.1.+Q1.2.= 18,5 + 1,43 = 19,93
2.4.2 Теплоприток через заднюю торцевую поверхность
Площадь задней торцевой поверхности по формуле (2.7):
Тогда теплоприток через торцевую поверхность по формуле (2.5):
где коэффициент теплопередачи по формуле (2.6):
2.4.3 Теплоприток через переднюю поверхность камеры
Значение коэффициента теплопроводности оргстекла: л = 0,19 Вт/ (м2Чk)
Площадь передней торцевой поверхности оргстекла по формуле (2.7):
Теплоприток через оргстекло по формуле (2.5):
где коэффициент теплопередачи оргстекла по формуле (2.6):
2.4.4 Общий теплоприток в камеру замораживания:
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 19,93 + 3,95 + 12,21 = 36,1
2.5. Подбор холодильного оборудования
2.5.1 Компрессорно-конденсаторный агрегат
Температуру воздуха, которую необходимо создать в холодильной камере равна tв = -30 °C. Принимаем перепад равный 10°C. Тогда по формуле(2.8)[10]:
При температуре кипения , производительность компрессорного агрегата Danfoss марки FR6DLX эквивалентно значению Qком. = 128 Вт. В результате расчетов было определенно, что тепловая нагрузка на испаритель равна Q = 36,1 Вт. Таким образом, агрегат данного типа полностью обеспечит стабильную работу холодильной установки в требуемом режиме.
2.5.2 Змеевиковый испаритель
Расчет теплообменных аппаратов состоит из теплового и конструктивного расчета. Тепловой расчет воздухоохладителя, заключается в определении коэффициента теплопередачи и площади его теплообменной поверхности, которая обеспечит отвод требуемого количества теплоты.
Конструктивный расчет змеевикового испарителя состоит из определения длины медной трубки и числа витков, предварительно задаваясь диаметром змеевика и трубки[5].
2.5.2.1 Тепловой расчет
Испаритель экспериментальной холодильной установки состоит из медного змеевика, медного цилиндра и вентилятора создающего принудительную конвекцию воздуха в камере. При температуре кипения холодильного агента t0 = -40 oC и температурном напоре и =10 oC, значение коэффициента теплопередачи воздухоохладителя k = 17, 5 Вт/м2·К[9]. Тогда площадь теплопередающей поверхности испарителя определим по формуле(2.9)[10]:
где Q0=128 Вт - производительность компрессорного агрегата при температуре кипения хладагента t0=-40 OC.
Медный цилиндр припаян к змеевиковому испарителю, поэтому его поверхность является теплопередающей и должна учитываться в расчете.
Площадь поверхности цилиндра:
где: Dц = 0,2 м - диаметр цилиндра;
Lц = 0, 33 м - длина развертки цилиндра.
Таким образом, площадь теплопередающей поверхности змеевика:
2.5.2.3 Конструктивный расчет
Зная из теплового расчета площадь змеевикового испарителя Fзм. исп.,,
диаметр змеевика Dзм и трубыdнар, легко определить общую длину змеевика
Lзм по формуле(2.10):
Принимаем длину змеевика Lзм=15 м, что больше требуемой длины на 9% и допустимо. Тогда число витков по формуле(2.11):
Шаг между витками P, мм, по формуле (2.12):
где Lз - длина, которую будет занимать испаритель в камере обработки продуктов.
2.5.3 Расчет длины капиллярной трубки
Расчет капиллярной трубки произведем при помощи программы Danfoss «Подбор капиллярной трубки» (DanfossCapillaryTubeSelector)[6]. Параметры, которые необходимы для расчета в данной программе, имеют следующие значения: марка хладона R404А; значение тепловой нагрузки на систему принимаем равным холодопроизводительности принятого для установки компрессора, Q = Qком. = 128 Вт; температура кипения хладагента t0=-40 oC; температура конденсации tк = 50; температура на всасывающей стороне компрессора tвс= 0. Результаты расчета показаны на рисунке 2.9.
Оптимальные значения параметров капиллярной трубки выделены
полосой зеленого цвета (длина Lкап. = 1,81 м; внутренний диаметр Dкап. = 0,7 мм). Для нашей установки подбираем капиллярную трубку длиной Lкап. = 1,95 м при ее внутреннем диаметре Dкап. = 0,71 мм.
Рисунок 2.9 - Результаты расчета длины капиллярной трубки при помощи программы DanCap.
3. Методика проведения экмпериментов
3.1 Исследование работы экспериментальной холодильной установки
Эксперимент проводится с целью определения:
1. Продолжительности выхода холодильной установки на требуемый температурный режим;
2. Равномерности распределения температуры в холодильной камере.
Для фиксации температуры в различных областях холодильной камеры, располагаем термопары по схеме, представленной на рис. 4.1:
1 - область расположения термопары фиксирующей температуру в центре камеры у вентилятора; 2 - область расположения термопары фиксирующей температуру в центре камеры у крышки из оргстекла; 3 - область расположения термопары фиксирующей температуру в верхней точке середины камеры; 4 - область расположения термопары фиксирующей температуру в нижней точке середины камеры; 8 - область расположения термопары фиксирующей температуру в центре камеры.
Рисунок 3.1 - Схема размещения термопар в камере.
После размещения термопар в камере, производится настройка измерителя-регулятора. Значение температуры, при котором на прибор будет подан сигнал на отключение установки tотк= -25 oC. Сигнал на измеритель-регулятор об для включении агрегата, будет подан при значении температуры tвкл.= -20 оС. Заданные параметры будут контролироваться входным первичным преобразователем под номером восемь, к которому подключается термопара, находящаяся в центре камеры (термопара 8).
По окончании проведения подготовительных мероприятий устанавливаем переднюю крышку из оргстекла, запускаем компрессорно-конденсаторный агрегат и вентилятор воздухоохладителя, тем самым начиная эксперимент. После достижения требуемого температурного режима поддерживаем его в течение некоторого времени, включающего в себя четыре рабочих цикла исследуемой холодильной установки, и завершаем работу, выключая агрегат и воздухоохладитель.
3.2 Исследование процесса вакуумирования без холодильной машины
Цель проведения исследования - процесса вакуумирования.
Перед началом эксперимента проводим следующие операции:
1. Настраиваем измеритель-регулятор для поддержания требуемого температурного режима в камере;
2. Производим запуск вакуум-насоса;
Значение давления, при котором на прибор будет подан сигнал на отключение насоса p=4кПа. Заданные параметры будут контролироваться входным первичным преобразователем под номером восемь, к которому подключается датчик давления, находящаяся в центре камеры (термопара 8).
Начальная температура: в камере продукта t = 26 oC.
Опыт считаем законченным когда температура на термопарах выровняется до t = 26 oC.
3.3 Исследование процесса замораживания воды в вакууме
Целью проведения эксперимента является испытание холодильной установки при замораживании воды в вакууме.
Перед началом эксперимента проводим следующие операции:
1.Определяем необходимые параметры продукта для проведения эксперимента;
2. Производим установку термопар в продукт.
Для проведения эксперимента были определены следующие характеристики продуктов:
-начальная температура 20,8С.
- объем равен 0,150 литров;
- стандартный пластиковый стакан (рисунок 3.3)
Рисунок 3.3. Замораживаемый продукт в вакуумной камере.
По окончании проведения подготовительных мероприятий помещаем стакан воды в камеру замораживания, устанавливаем переднюю крышку из оргстекла. Подключаем вакуум-насос к штуцеру камеры и производим его включение совместно с компрессорно-конденсаторным агрегатом. Термопары подают сигнал на измеритель-регулятор, который в свою очередь, подключен через датчик АС-4, обеспечивающий вывод и регистрацию данных на компьютере.
4. Результаты исследований и ее анализ
4.1 Исследование работы экспериментальной холодильной установки
В результате эксперимента выхода на режим холодильной установки мы получили следующие зависимости, изображенные на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 - Термограмма воздуха в холодильной камере
Время выхода холодильной установки на режим составило 73,3 мин (от tнач=140С до tкон=-250С). Период цикла изменения температуры от нижнего предельного значения до установленного верхнего значения составляет 10,8 мин.
На термограмме видно, что температура в камере распределена практически равномерно во всех контролируемых областях. Имеются незначительные расхождения в 0,50С между температурами. В центре камеры, в центре у передней крышки, в центре камеры у вентилятора и внизу середины камеры. Линию, характеризующую изменение температуры вверху середины камеры на термограмме не видно, ввиду ее совпадения с линиями, характеризующие температурные поля со схожими температурами.
Таким образом, было определенно время, за которое экспериментальная холодильная установка вышла на требуемый режим и степень равномерности распределения температур в холодильной камере.
4.2 Процесс вакуумирования без холодильной машины
В результате проведения эксперимента мы получили следующие зависимости, изображенные на рис. 4.2.
Рисунок 4.2. График изменения давления в холодильной камере.
Анализируя термограмму видно, что охлаждение воздуха камере от начальной температуры tц = 26 ОС до критической точки tкр. = 18 ОС продлилось 20 мин. Давление в камере на этот момент составляло 4 кПа. Через час температура стабилизировалась. В общем эксперимент длился 90 минут. Данный эксперимент нам показывает ,что мы можем понижать температуру при создании вакуума в камере. В дальнейшем это будет способствовать более быстрому понижению температуры в объекте охлаждения и охлаждаемой среде.
Рисунок 4.2 - Термограмма воздуха в холодильной камере.
4.3.Процесса замораживания воды в вакууме
В результате эксперимента замораживания воды мы получили следующие зависимости, изображенные на рисунке 4.3.
Рисунок 4.3. График замораживания воды в вакуумной камере.
Анализируя график замерзания воды в вакуумной камере видно что, вода объемом 0,150 литра полностью замерзла полностью в течение 350 минут. На 150 минуте температура воды в пластиковом стакане опустившись до 0,9 єС начала возрастать. Это связано с началом фазового перехода воды из жидкого состояния в твердое. Переход в твердое состояние длилось около 130 минут, пока вода полностью не превратилась в лед.
Повышение температуры в камере на 140 минуте связано с тем, что в камеру просочился воздух из- за не совершенства уплотненности камеры вакуумного замораживания. Но проблема была решена незамедлительно.