Выбор и Обоснование применения энергохолодильного оборудования

Холодильные установки рефрижераторных вагонов в целом и их отдельные узлы должны удовлетворять следующим требованиям:

обеспечивать заданную скорость охлаждения плодоовощей, погруженных в неохлаждённом виде, и поддержание в грузовом помещении вагона необходимой для любого перевозимого груза температуры в различных климатических условиях;

обладать высокой степенью автоматизации и надёжностью в эксплуатации в связи с невозможностью во многих случаях доступа к холодильному оборудованию в гружёном рейсе и ремонта его в дорожной обстановке;

иметь малые габариты и массу, конструкцию, технологичную в изготовлении, ремонте и обслуживании;

выдерживать высокие ускорения и вибрации, сохраняя работоспособность после соударения вагонов со скоростью до 3 м/с;

иметь невысокую стоимость изготовления, не требовать частого проведения профилактических осмотров и ремонтов для сокращения трудоёмкости обслуживания;

быть долговечными и экономичными в эксплуатации;

сохранять работоспособность при температуре наружного воздуха 40÷45 °С;

обеспечивать поддержание одной холодильной установкой температуры в вагоне – 10 °С при расчётных условиях.

Компрессор – основной и наиболее сложный элемент паровой компрессионной холодильной машины, получившей наибольшее применение на хладотранспорте. Компрессор предназначен для отсасывания паров холодильного агента из испарителя с целью поддержания в нём низкого давления кипения, сжатия их и нагнетания в конденсатор. Основные типы компрессоров: ротационные с катящимся или вращающимся ротором, винтовые, турбокомпрессоры и поршневые.

Поршневые компрессоры получили наибольшее применение и на хладотранспорте. В 5-вагонной секции БМЗ установлены хладоновые восьмицилиндровые компрессоры 2ФУУБС-18. В условном обозначении марки компрессора цифра 2 определяет модификацию, Ф – фреоновый (хладоновый), УУ – веерообразное расположение цилиндров, БС – бессальниковый, 18 – стандартная холодопроизводительность. Блок-картер представляет собой отливкой сложной конфигурации из серого чугуна, объединяющую четыре блока цилиндров (по два в каждом блоке), картер и корпус встроенного электродвигателя. В картере имеются две опоры для коренных роликовых подшипников коленчатого вала. На консоли вала закреплён ротор короткозамкнутого асинхронного трёхфазного электродвигателя мощностью 10 кВт. Зазор между ротором и статором составляет 0,6÷1,0 мм. На боковых стенках картера имеются люки, через которые обеспечивается доступ к шатунным болтам, нижним головкам шатунов, масляному фильтру и противовесам. Эти люки закрываются крышками со смотровыми стёклами для контроля уровня масла в поддоне масляной ванны. Пробка закрывает отверстие для слива масла. Масляный шестерённо-реверсивный насос с приводом от коленчатого вала смонтирован в полости передней крышки. Масло из масляной ванны через фильтр засасывается насосом и через сверления в коленчатом валу подаётся для смазки нижних разъёмных головок шатунов, имеющих тонкостенные сменные вкладыши. Смазка сменных цилиндровых гильз, поршней и поршневых пальцев осуществляется разбрызгиванием. Поршень непроходной, алюминиевый, с двумя компрессионными и одним малосъёмным кольцами.

Охлаждение компрессора воздушное, а электродвигателя – всасываемым через вентиль паром хладагента, который сначала проходит через корпус электродвигателя и уже затем поступает во всасывающую полость цилиндрового блока.

К теплообменным аппаратам относятся конденсаторы, испарители, воздухоохладители и другое.

В конденсаторах тепло от хладагента отводится наружным воздухом или водой. Воздушные конденсаторы применяются во всех холодильных установках рефрижераторного подвижного состава. Они представляют собой змеевиковые или трубчатые системы с коллекторами. Оребрённая наружная поверхность омывается воздухом.

Конденсатор холодильной установки АРВ и 5-вагонных секций ZB-5 состоит из трёх секций, закреплённых на раме. Крайние секции имеют по четыре ряда вертикальных оребрённых алюминиевых труб наружным диаметром 15 мм, в средней секции – три ряда. Трубы каждого вертикального ряда секций последовательно соединены в змеевики гнутыми калачами. Пары хладагента из компрессора нагнетаются через трубу в газовый коллектор, откуда распределяются по рядам труб. Проходя по трубам, хладагент охлаждается наружным воздухом, подаваемым двумя вентиляторами, расположенными на торцовой стороне конденсатора, конденсируется и стекает вниз к жидкостному коллектору, откуда через патрубок жидкий хладагент отводится в ресивер. Рабочее давление в конденсаторе допускается до 1,6 МПа.

Конденсатор холодильной установки ВР-1М 5-вагонной секции БМЗ выполнен из медных труб с латунными рёбрами, а секции ZA-5 – из стальных труб со стальными рёбрами. Для обдува конденсатора используется один осевой вентилятор.

Испарители бывают двух типов: для охлаждения жидкости (рассола, воды и др.) и воздуха. В стационарных холодильных установках применяются испарители различных конструкций, в транспортных установках – кожухотрубные для охлаждения рассола (в поездах и 12-вагонных секциях) и воздухоохладители (в 5-вагонных секциях и АРВ).

Кожухотрубные испарители по конструкции подобны горизонтальным кожухотрубным конденсаторам. Жидкий хладагент поступает через регулирующий вентиль в пространство между кожухом и трубами снизу. Здесь он кипит, охлаждая рассол, принудительно циркулирующий в трубах с помощью рассольного насоса. Образующиеся пары хладагента отсасываются компрессором через вентиль в верхней части кожуха.

Воздухоохладители 5-вагонных секций и АРВ размещены непосредственно в грузовых помещениях вагонов и являются по сути своей испарителями для непосредственного охлаждения воздуха с принудительной циркуляцией его от вентиляторов-циркуляторов. Внутри оребрённых труб кипит жидкий хладон-12, охлаждая воздух грузового помещения. По своей конструкции они аналогичны воздушным конденсаторам этих вагонов, однако расстояние между рёбрами значительно больше, поскольку на трубах и рёбрах образуется иней из влаги, выпадающей на поверхности аппарата при охлаждении воздуха. Иней снижает коэффициент теплопередачи воздухоохладителя, уменьшает сечение для прохода охлаждаемого воздуха и увеличивает сопротивление его движению, поэтому необходима периодическая оттайка снеговой “шубы”.Оттайка осуществляется или горячими парами хладона-12, направляемыми из компрессора не в конденсатор, а в испаритель в обход регулирующего вентиля, или электропечами в секциях ZA-5 первого выпуска. В 5-вагонных секциях БМЗ воздухоохладители двух холодильных установок совмещены, а в секциях ZA-5 установлены параллельно. В АРВ и секциях ZB-5 воздухоохладители расположены отдельно друг от друга по торцам грузового помещения вагона.

К вспомогательным аппаратам относятся ресиверы, маслоотделители, маслосборники, промежуточные сосуды, отделители жидкости, переохладители, теплообменники и другое. Они обеспечивают длительную и безопасную работу установки, облегчают регулирование рабочего процесса и повышают безопасность и экономичность работы.

Приборы автоматики холодильных установок выполняют пять функций (управление, регулирование, защита, сигнализация и контроль).

Приборы управления (программные реле, реле времени) обеспечивают автоматический пуск, включение или отключение установки или её отдельных узлов в заданной последовательности.

Приборы регулирования автоматически поддерживают в определённых пределах основные параметры (температуру, давление, уровень жидкости и другое). К ним относятся термостаты, терморегулирующие вентили, реле уровня, поплавковые регуляторы, регуляторы давления всасывания и другое.

Приборы автоматической защиты (реле давления, реле температуры и другое) отключают всю холодильную установку или отдельные её элементы при наступлении опасных режимов работы.

Автоматическая сигнализация включает световые или звуковые сигналы (лампы, звонки, сирены) при достижении заданного значения контролируемой величины или при приближении к опасному режиму работы установки.

Приборы автоматического контроля (самописцы, счётчики моточасов и др.) осуществляют измерение и запись определённых параметров работы холодильной установки (температуру в вагонах, время работы оборудования и другое).

Расчёт и выбор компрессора

После расчёта потребной холодопроизводительности на II режиме её переводим в стандартную и по большей величине выбираем компрессор. Стандартная холодопроизводительность определяется по формуле

;(Вт) (5.1)

где, Q_раб – холодопроизводительность при рабочих условиях, Вт;

q_vст – объёмная холодопроизводительность агента при стандартных условиях, принимаем 1335,6;

q_vраб – объёмная холодопроизводительность агента при рабочих условиях, принимаем 1140,9;

λ_ст – коэффициент подачи холодильного агента при стандартных условиях, принимаем 0,72;

λ_раб - коэффициент подачи холодильного агента при рабочих условиях, принимаем 0,592.

Значение данных параметров зависит от температуры условий работы холодильной машины, т. е. от температуры кипения хладагента, конденсации, а также отношения давления конденсации и кипения.

Для рабочих условий эти температуры зависят от температуры в рабочем помещении вагона, температуры наружного воздуха, наличия теплообменника и вида охлаждения испарителя.

Таким образом, на основании формулы 5.1 определяем стандартную холодопроизводительность

Для АРВ: (Вт);

Для 5-ваг. ИПС: (Вт).

На основании расчётов выбираем компрессор, для данной холодопроизводительности подходит 2ФУУБС18, с мощностью 10 кВт и холодопроизводительностью 18, поршневой, бессальниковый. Компрессор – основной и наиболее сложный элемент паровой компрессионной холодильной машины, получившей наибольшее применение на хладотранспорте. Более 90% всех компрессионных холодильных машин в России выпускают с поршневыми компрессорами, которые при холодопроизводительности 0,1÷300 кВт обладают следующими преимуществами перед компрессорами других типов:

меньше масса, габариты и потребление энергии;

хорошо освоенная технология производства и меньшая трудоёмкость изготовления;

способность работать с более высоким отношением давлений при сжатии в одной ступени и на разных холодильных агентах.

Поршневые компрессоры отличаются большим разнообразием конструктивных форм, их классифицируют по:

стандартной холодопроизводительности (малые до 12 кВт, средние – от 12 до 120 кВт, крупные - свыше 120 кВт); с углом развала от 45 до 60

расположению осей цилиндров (вертикальные, горизонтальные, V-образные с углом развала цилиндров от 60 до 90°, веерообразные с углом развала от 45 до 60°);

числу цилиндров (одно-, двух-, восьми- и многоцилиндровые);

направлению движения хладагента в цилиндре компрессора (прямоточные и непрямоточные);

назначению (в общепромышленном исполнении, экспортно-тропическом для судовых холодильных установок, для транспорта);

числу ступеней сжатия (одно-, двух- и многоступенчатые);

степени герметичности: открытого типа (сальниковые), бессальниковые (полугерметичные) и герметичные.

В условном обозначении компрессора цифра 2 определяет модификацию, Ф – фреоновый (хладоновый), УУ – веерообразное расположение цилиндров, БС – бессальниковый, 18 – стандартная холодопроизводительность, охлаждение воздушное.

 

Расчёт и выбор конденсатора

В конденсаторах тепло от хладагента отводится наружным воздухом или водой. Воздушные конденсаторы применяются во всех холодильных установках рефрижераторного подвижного состава.

Конденсатор холодильной установки ВР-1М 5-вагонной секции БМЗ выполнен из медных труб с латунными рёбрами. Для обдува конденсатора используется один осевой вентилятор.

Из конденсаторов с водяным охлаждением наибольшее распространение получили горизонтальные кожухотрубные в стационарных установках средней и большой производительности. У них пары холодильного агента подаются в пространство между кожухом и трубами, по которым протекает вода. Применяются также вертикальные кожухотрубные, оросительные, элементные, испарительные и другие типы конденсаторов.

Конденсатор холодильной установки АРВ состоит из трёх секций, закреплённых на раме.

Аммиачные конденсаторы поездов и 12-вагонных секций имеют значительно большую поверхность и состоят из вертикально-трубчатых секций с оребрёнными стальными трубами, обдуваемых одним лопастным вентилятором.

Расчёт конденсатора сводится к определению его теплопередающей поверхности, по величине которой конструируют или подбирают стандартные агрегаты. Наибольшая нагрузка на конденсатор приходится на II режим, поэтому расчёт производим для II режима.

Прежде всего, определяем тепловую нагрузку (производительность) конденсатора (Вт) по формуле

Q_к=Q₀+1000*N_теор (Вт) (5.2)

где, Q_к – производительность конденсатора;

Q₀ – холодопроизводительность брутто;

N_теор – мощность компрессора, принимаем согласно выбранному типу компрессора 2ФУУБС18 – 10 кВт.

На основании формулы 5.2 определяем производительность конденсатора

Для АРВ: Q_к=21498,6+1000*10,0=31498,6(Вт);

Для 5-ваг. ИПС: Q_к=22175,3+1000*10,0=32175,3 (Вт).

После определения производительности конденсатора определяем поверхность теплопередачи по следующей формуле

(м²) (5.3)

где, F_к – поверхность теплопередачи;

К – коэффициент теплопередачи, принимаем 30;

- среднеарифметическая разность температур в начале и конце теплообмена, °С, принимаем 7 °С.

Производим расчёт на основании формулы 5.3

Для АРВ: (м³);

Для 5-ваг. ИПС: (м³).

Так как 2 комплекта, то площадь конденсатора равна F_к/2

Для АРВ: F_к=150/2=75 (м³);

Для 5-ваг. ИПС: F_к=153/2=76,5 (м³).

Далее определяем общую длину труб конденсатора по следующей формуле

(м) (5.4)

где, L – общая длина труб конденсатора, м;

d – диаметр трубы конденсатора, м, принимаем 0,02 м;

π – принимаем 3,14

На основании формулы 5.4 определяем общую длину труб конденсатора

Для АРВ: L=75/(3,14*0,02)=1194,6 (м);

Для 5-ваг. ИПС: L=76,5/(3,14*0,02)=1218,2 (м).

Определяем количество труб в конденсаторе на основании следующей формулы

(шт.) (5.5)

где, n – количество труб в конденсаторе;

l – длина трубы конденсатора, принимаем 15 м.

На основании формулы 5.5 определяем количество труб в конденсаторе

Для АРВ: n=1194,6/15=80 (штук);

Для 5-ваг. ИПС: n=1218,2/15=82 (штуки).

На основании расчётных данных составляем таблицу 5.1, в которой указываем вид подвижного состава, производительность конденсатора, поверхность теплопередачи, длина труб, количество труб.

 

 

Таблица 5.1

Вид подвижного состава	Производительность конденсатора	Поверхность теплопередачи	Длина труб	Количество труб
АРВ	31498,6	150/75	1194,6
5-ваг. ИПС	32175,3	153/76,5	1218,2

Примечание: в таблице 5.1 слева от дробной черты значение поверхности теплопередачи 2-х комплектов, а справа от дробной черты значение поверхности теплопередачи одного комплекта.

На основании данных расчётов произведенных в данной курсовой работе принимаем следующий вид конденсатора: ВР-1М.

 

Расчёт и выбор испарителя

Испарители бывают двух типов: для охлаждения жидкости (рассола, воды) и воздуха. В стационарных холодильных установках применяются испарители различных конструкций, в транспортных установках – кожухотрубные для охлаждения рассола и воздухоохладители (в 5-вагонных секциях и АРВ).

Расчёт испарителя заключается в определении его теплопередающей поверхности, определяемой по следующей формуле

(м²) (5.6)

где, F_u – поверхность теплопередачи;

Q^I₀ – холодопроизводительность установки, Вт;

K_u – коэффициент теплопередачи испарителя, Вт/м²*град, принимаем 30 Вт/м²*град;

- средняя разность температур между температурой воздуха в камере и холодильным агентом, °С, принимаем 7 °С.

На основании формулы 5.6 определяем теплопередающую поверхность испарителя

Для АРВ: (м²);

Для 5-ваг. ИПС: (м²).

Определяем общую длину труб испарителя (м) по следующей формуле

(м) (5.7)

где, d – диаметр трубы, м, принимаем 0,02 м.

На основании формулы 5.7 определяем длину труб испарителя

Для АРВ: (м);

Для 5-ваг. ИПС: (м).

Далее выбрав длину трубы, определяем количество труб в испарителе на основании следующей формулы

(шт.) (5.8)

На основании формулы 5.8 определяем количество труб в испарителе

Для АРВ: n=549,4/15=37 (штук);

Для 5-ваг. ИПС: n=573,2/15=39 (штук).

Исходя, из проделанных расчётов более всего для наших транспортных установок подходит следующий вид испарителя: воздухоохладитель – для охлаждения воздуха.