Пример выполнения курсовой работы на тему «Проектирование холодильной установки»

Раздел 1. Введение, определяющее цели и задачи курсового проекта

Холодильные установки играют незаменимую роль в современной пищевой промышленности. Их основная функция — создание и поддержание искусственного холода для охлаждения, замораживания и хранения скоропортящейся продукции. Именно благодаря им возможно создание непрерывной холодильной цепи, которая обеспечивает сохранение высокого качества продуктов от момента производства до конечного потребителя.

Генеральной целью данной курсовой работы является проектирование холодильной установки для низкотемпературного склада, способной обеспечить заданные температурные режимы хранения и технологические процессы производства. Эта общая цель декомпозируется на ряд конкретных инженерных задач:

• Провести анализ исходных данных и обосновать выбор принципиальной схемы установки.
• Рассчитать тепловые нагрузки на охлаждаемые объемы.
• Выбрать оптимальный хладагент с учетом его термодинамических и экологических характеристик.
• Выполнить термодинамический расчет цикла.
• Подобрать основное и вспомогательное технологическое оборудование на основе выполненных расчетов.
• Разработать схему автоматизации для поддержания заданных режимов и безопасной работы.
• Определить ключевые аспекты технического обслуживания и эксплуатации.

Важно подчеркнуть, что все проектные решения и расчеты выполняются в строгом соответствии с действующими методическими указаниями и государственными стандартами (ГОСТами), что гарантирует техническую грамотность и актуальность работы.

Раздел 2. Анализ исходных данных и краткий литературный обзор

Любое проектирование начинается с систематизации исходной информации, которая служит фундаментом для всех последующих расчетов. В рамках данного курсового проекта мы имеем следующие входные параметры:

• Характеристики объекта: тип (низкотемпературный склад), геометрические размеры камер, материалы ограждающих конструкций.
• Температурные режимы: требуемые температуры хранения в каждой камере, температура окружающей среды.
• Климатические условия: расчетные летние и зимние температуры и влажность для региона размещения объекта.
• Технологические параметры: масса и вид поступающей продукции, суточный оборот, внутренние тепловыделения.

На основе этих данных проводится обзор типовых схем холодильных установок. Для задач, требующих нескольких температурных режимов, могут применяться одноступенчатые, двухступенчатые или каскадные циклы. Учитывая значительную разницу между температурой конденсации и требуемой температурой кипения в низкотемпературных камерах, предварительно можно сделать вывод о целесообразности применения двухступенчатой схемы сжатия. Такая схема, хоть и сложнее одноступенчатой, обеспечивает более высокий холодильный коэффициент и меньшее энергопотребление, что является одной из ключевых целей проектирования. Окончательное решение будет принято по результатам термодинамического расчета.

Весь дальнейший ход работы будет опираться на фундаментальные положения, изложенные в профильной учебной литературе, и требования релевантных ГОСТов, регулирующих проектирование и эксплуатацию холодильных систем.

Раздел 3. Термодинамический расчет цикла и окончательный выбор схемы

Термодинамический расчет является теоретическим сердцем проекта. Он позволяет определить эффективность холодильного цикла и получить ключевые параметры для подбора оборудования. Первым шагом является обоснованный выбор хладагента, который напрямую влияет на производительность и безопасность установки. Сравнивая современные хладагенты (например, аммиак R717, фреоны R404A, R507) по критериям озоноразрушающего потенциала (ODP), потенциала глобального потепления (GWP), энергоэффективности и стоимости, для нашего проекта выбирается наиболее подходящий вариант.

Далее для выбранного хладагента строится теоретический термодинамический цикл в i-d (энтальпия-давление) диаграмме. Это визуальное представление всех процессов, происходящих с хладагентом в системе: сжатие, конденсация, дросселирование и кипение. На основе диаграммы производится расчет параметров в узловых точках цикла (1, 2, 3, 4 и т.д.), определяя для каждой из них температуру, давление и, что самое важное, энтальпию (теплосодержание).

Используя полученные значения энтальпий, рассчитываются удельные характеристики цикла:

1. Удельная массовая холодопроизводительность (q₀): показывает, сколько теплоты отнимает 1 кг хладагента, кипя в испарителе.
2. Удельная работа сжатия (l): показывает, какую работу необходимо затратить для сжатия 1 кг хладагента в компрессоре.
3. Холодильный коэффициент (ε): ключевой показатель эффективности цикла, равный отношению q₀ / l. Чем он выше, тем эффективнее работает установка.

Расчеты для одноступенчатой и двухступенчатой схем наглядно демонстрируют, что при большом перепаде давлений холодильный коэффициент двухступенчатого цикла значительно выше. Это окончательно подтверждает наш предварительный выбор в пользу более сложной, но и более энергоэффективной двухступенчатой схемы.

Раздел 4. Расчет тепловых нагрузок как основа для определения мощности

Если термодинамический расчет показывает эффективность цикла, то расчет тепловых нагрузок определяет его масштаб — то есть, какую именно холодопроизводительность должно обеспечивать оборудование. Общая тепловая нагрузка (Qобщ) на охлаждаемый объем складывается из суммы всех теплопритоков.

Расчет ведется по отдельным составляющим:

• Q1: Теплопритоки через ограждающие конструкции. Зависят от разности температур снаружи и внутри камеры, площади стен, потолка и пола, а также от коэффициента теплопередачи материалов изоляции.
• Q2: Теплопритоки от складируемой продукции. Включают теплоту, которую необходимо отнять для охлаждения продукта до температуры хранения, а также теплоту замораживания (при фазовом переходе). Для этих расчетов применяется базовая формула Q = m * c * ΔT, где m — масса продукта, c — его удельная теплоемкость, а ΔT — разница температур.
• Q3: Эксплуатационные теплопритоки. Эта группа включает:
  • тепло от работающего персонала;
  • тепло от электрического освещения;
  • тепло от работающих электродвигателей (например, вентиляторов воздухоохладителей);
  • тепло, поступающее с теплым и влажным воздухом при открывании дверей (инфильтрация).

Каждый вид теплопритоков рассчитывается по своей методике с использованием соответствующих формул и справочных данных. После суммирования всех составляющих (Qобщ = Q1 + Q2 + Q3) мы получаем чистую тепловую нагрузку. Однако на практике оборудование никогда не подбирается впритык. Для компенсации неучтенных факторов и обеспечения надежной работы вводится запас мощности, который обычно составляет 10-15%. Таким образом, итоговая расчетная холодопроизводительность (Qрасч), на которую мы будем подбирать оборудование, определяется как Qрасч = Qобщ * 1.1. Это значение является одним из самых важных результатов проектирования.

Раздел 5. Подбор основного технологического оборудования

Зная требуемую холодопроизводительность и параметры термодинамического цикла (температуры кипения и конденсации), можно приступать к подбору реального промышленного оборудования. Этот этап превращает теоретические расчеты в спецификацию конкретных агрегатов.

Компрессор

Компрессор — это «сердце» установки. Его подбор производится на основе трех ключевых параметров: расчетной холодопроизводительности, температуры кипения и температуры конденсации. Используя каталоги производителей (например, Bitzer, Copeland, Frascold), мы находим модель компрессорного агрегата, рабочая область которого соответствует нашим режимам. Выбор должен быть обоснован ссылкой на диаграмму производительности компрессора, которая показывает, что при наших расчетных точках он будет работать в зоне высокой эффективности и не будет перегружен.

Конденсатор

Конденсатор отвечает за отвод в окружающую среду всей теплоты, отобранной в испарителе и полученной при сжатии в компрессоре. Сначала рассчитывается его тепловая нагрузка, а затем подбирается конкретная модель. В зависимости от условий (доступность воды, климат) это может быть конденсатор с воздушным или водяным охлаждением (включая испарительные конденсаторы). Главный критерий подбора — его поверхность теплообмена и производительность вентиляторов должны быть достаточны для рассеивания расчетной тепловой нагрузки при заданной разнице температур.

Испаритель (Воздухоохладитель)

Испаритель, чаще всего в виде воздухоохладителя, — это оборудование, которое непосредственно отбирает теплоту из охлаждаемой камеры. Для каждой камеры подбирается свой воздухоохладитель или батарея. Расчет ведется на основе требуемой холодопроизводительности для данной камеры и температурного напора (разницы между температурой воздуха в камере и температурой кипения хладагента). Важно также учесть требуемую кратность циркуляции воздуха, чтобы обеспечить равномерное температурное поле по всему объему камеры и избежать застойных зон.

Для каждого элемента оборудования в курсовой работе приводится не просто маркировка, а его ключевые технические характеристики, доказывающие соответствие проектным требованиям.

Раздел 6. Расчет и подбор вспомогательных элементов и трубопроводов

Помимо основного оборудования, надежная работа холодильной установки невозможна без грамотно подобранных вспомогательных элементов и «кровеносной системы» — трубопроводов.

Ключевыми вспомогательными сосудами являются:

• Линейный ресивер: Устанавливается после конденсатора и служит для сбора и хранения жидкого хладагента, обеспечивая стабильную работу терморегулирующего вентиля (ТРВ) и компенсацию колебаний объема хладагента в системе.
• Защитный и дренажный ресиверы: Необходимы в аммиачных установках для защиты компрессора от влажного хода (попадания жидкого хладагента) и для сбора хладагента из испарителей во время оттайки.
• Маслосборник: Служит для сбора и удаления масла, которое уносится хладагентом из компрессора, что критически важно для поддержания чистоты теплообменных поверхностей и исправной работы компрессора.

Объем каждого из этих сосудов рассчитывается исходя из общего количества хладагента в системе и выполняемых ими функций.

Далее выполняется гидравлический расчет трубопроводов. Для каждой магистрали (всасывающей, нагнетательной, жидкостной) определяется оптимальный диаметр. Расчет производится таким образом, чтобы скорость потока хладагента находилась в допустимых пределах: слишком низкая скорость может привести к плохому возврату масла в компрессор, а слишком высокая — к недопустимым потерям давления и шуму. По итогам подбора составляется полная спецификация на все вспомогательное оборудование и арматуру.

Раздел 7. Объемно-планировочное решение машинного отделения

После того как все оборудование подобрано, его необходимо правильно разместить в пространстве. Этот этап преобразует набор спецификаций в реальный физический объект — машинное отделение. Проектирование этого помещения ведется с учетом строгих требований безопасности, эргономики и удобства эксплуатации.

Ключевые требования к машинному отделению включают:

• Достаточную вентиляцию для отвода тепла от оборудования и предотвращения скопления паров хладагента.
• Надежное освещение, включая аварийное.
• Меры пожарной безопасности, соответствующие типу хладагента.
• Удобные проходы для персонала, обеспечивающие доступ ко всем узлам для монтажа, технического обслуживания и ремонта.

На основе этих требований разрабатывается план-схема (чертеж) машинного отделения. На ней показано расположение основного оборудования (компрессорные агрегаты, конденсаторы, ресиверы) и вспомогательных элементов. Компоновка должна быть логичной: например, компрессоры и ресиверы располагаются с учетом минимальной длины трубопроводов для снижения гидравлических потерь. Также на схеме прочерчивается трассировка основных трубопроводов, что позволяет визуализировать всю систему и избежать коллизий при монтаже.

Раздел 8. Принципы автоматизации холодильной установки

Современная холодильная установка — это не просто набор «железа», а сложный киберфизический комплекс, управляемый системой автоматики. Автоматизация решает несколько важнейших задач: точное поддержание заданных параметров, повышение энергоэффективности, обеспечение безопасности и минимизация участия человека в рутинных операциях.

Ключевые функции системы автоматизации:

• Поддержание температуры: Главная задача, решаемая путем включения/выключения компрессора или регулирования его производительности по сигналам от датчиков температуры в камерах.
• Управление оттайкой испарителей: Автоматический запуск и остановка процесса оттайки (например, с помощью ТЭНов) для удаления намерзшего инея и поддержания эффективности теплообмена.
• Защита оборудования от аварийных режимов: Отключение компрессора при критически высоком давлении нагнетания, низком давлении всасывания, перегреве двигателя или низком уровне масла.
• Энергоэффективное управление: Например, регулирование скорости вращения вентиляторов конденсатора в зависимости от температуры окружающей среды.

Для реализации этих функций разрабатывается принципиальная схема автоматизации. Она включает в себя:

1. Датчики (первичные преобразователи): датчики температуры, давления, уровня.
2. Контроллер (PLC): «Мозг» системы, который обрабатывает сигналы от датчиков и на основе заложенного в него алгоритма (часто с использованием PID-регуляторов для плавного управления) отдает команды исполнительным механизмам.
3. Исполнительные механизмы: соленоидные вентили, контакторы, частотные преобразователи, терморегулирующие вентили (ТРВ).

Современные системы также предусматривают возможность интеграции с системами диспетчеризации верхнего уровня (SCADA), что позволяет осуществлять удаленный мониторинг, сбор данных и управление установкой.

Раздел 9. Организация технического обслуживания и эксплуатации

Спроектировать и смонтировать установку — это только половина дела. Для обеспечения ее долгой, безаварийной и эффективной работы необходима грамотная система технического обслуживания (ТО). Понимание этого жизненного цикла оборудования является важной компетенцией инженера.

Существует два основных вида ТО:

• Профилактическое (плановое) обслуживание: Комплекс работ, проводимых по заранее составленному графику для предупреждения отказов.
• Коррективное (ремонтное) обслуживание: Работы по устранению уже возникших неисправностей.

Основой надежности является именно плановое обслуживание. Рекомендуется составлять график работ с разной периодичностью. Например, ежеквартальный осмотр должен включать следующие ключевые точки контроля:

1. Проверка уровня хладагента в системе и масла в картере компрессора.
2. Визуальный осмотр трубопроводов и соединений на предмет утечек и масляных пятен.
3. Очистка поверхностей теплообмена конденсаторов и воздухоохладителей от пыли и загрязнений.
4. Проверка состояния электрических соединений в щите управления.
5. Контроль работы вентиляторов, проверка на отсутствие посторонних шумов и вибраций.

Помимо плановых работ, в курсовом проекте необходимо описать основные правила техники безопасности при эксплуатации и ремонте установки, которые особенно строги при использовании аммиака, но важны и для фреоновых систем.

Раздел 10. Заключение и список использованной литературы

В заключительной части курсовой работы необходимо подвести итоги и сформулировать выводы, которые прямо отвечают на задачи, поставленные во введении. Следует кратко перечислить все выполненные этапы: от анализа исходных данных до разработки плана ТО.

Главный вывод должен четко констатировать, что цель проекта достигнута. А именно: спроектирована холодильная установка, обеспечивающая заданные температурные режимы, с конкретными, рассчитанными параметрами холодопроизводительности и энергопотребления. Необходимо подчеркнуть, что все принятые технические решения (выбор схемы, хладагента, оборудования) являются обоснованными, подтверждены расчетами и соответствуют требованиям нормативных документов.

В результате выполнения курсового проекта был получен полный комплект технической документации, достаточный для реализации спроектированной холодильной установки.

Работа завершается списком использованной литературы, оформленным по ГОСТу, и перечнем приложений, которые являются неотъемлемой частью проекта и включают в себя все графические материалы (чертеж машинного отделения, i-d диаграмма цикла) и спецификации оборудования.

Список использованной литературы

1. Практикум по холодильным установкам / Бараненко А.В. и др.-СПб.: Профессия,2001.-272 с.
2. Раздаточный материал к курсу «Холодильные установки».-Л.:ЛТИХП, 1984.
3. Холодильные установки: Учебник для студентов вузов специальности «Техника и физика низких температур», «Холодильная криогенная техника и кондиционирование» / Курылев Е.С. и др .-СПб.:Политехника,1999.-576 с.
4. Компрессорные агрегаты: проспект фирмы Bitzer.
5. Правила безопасности аммиачных холодильных установок (ПБ 03-595-03)
6. Правила безопасности для надземных складов жидкого аммиака и аммиака водного
7. Проспект фирмы: Fincoil.
8. Проспект фирмы: Химхолодсервис.
9. Богданов С.Н., Бурцев С.И., Куприянова А.В. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ. – СПб.: СПбГАХПТ, 1999.-320 с.
10. Испарительные конденсаторы: проспект фирмы Baltimore
11. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика.
12. ГОСТ 8734-75. Трубы стальные бесшовные холоднодеформированные.
13. ГОСТ 8732-78. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные.
14. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений.
15. СНиП 2.09.04-87*. Административные и бытовые здания.
16. СНиП 31 03 2001. Производственные здания.
17. ПБ 09-220-97. Правила устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок.
18. СНиП 11-89-80. Генеральные планы промышленных предприятий.
19. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
20. ПБ 09-595-03. Правила безопасности аммиачных холодильных установок.