Проектирование и эксплуатация холодильных машин и установок

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
Ю. А. Фирсова, А. Г. Сайфетдинов 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
И ЭКСПЛУАТАЦИЯ 
ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
И УСТАНОВОК  
Практикум 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

УДК 621.57.001.63(076) 
ББК 31.392-2я7 
Ф62 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
технический директор ООО «Винтерком» Ф. Ф. Валияхметов 
канд. техн. наук А. Ф. Сарманаева 
Ф62 
Фирсова Ю. А. 
Проектирование и эксплуатация холодильных машин и установок : 
практикум / Ю. А. Фирсова, А. Г. Сайфетдинов; Минобрнауки России, 
Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 
104 с. 
ISBN 978-5-7882-3280-5 
Рассмотрены основные вопросы расчета, проектирования и эксплуатации 
торговых и промышленных холодильных машин и установок. Даны методические 
указания по организации и проведению лабораторных работ по исследованию 
процесса льдообразования, определению коэффициента теплопроводности изоляционных материалов, испытанию бытового холодильника. Изложены методы расчета температурных условий работы холодильной установки, изоляции объектов, 
охлаждающих устройств, морозильного аппарата, охлаждаемого углекислотой.  
Предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки 
16.03.03 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», изучающих дисциплину «Проектирование и эксплуатация холодильных установок». 
Подготовлен на кафедре холодильной техники и технологии. 
УДК 621.57.001.63(076) 
ББК 31.392-2я7 
ISBN 978-5-7882-3280-5 
© Фирсова Ю. А., Сайфетдинов А. Г., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 
2

О Г Л А В Л Е Н И Е
Правила техники безопасности при работе на лабораторных установках ............. 4 
1. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ................................................................................... 5 
Лабораторная работа 1 
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЬДООБРАЗОВАНИЯ У ОХЛАЖДАЕМЫХ СТЕНОК 
.... 5 
Лабораторная работа 2  
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 
ИССЛЕДУЕМОГО МАТЕРИАЛА 
........................................................................ 12 
Лабораторная работа 3  
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОХОДИМОСТИ 
ШКАФА БЫТОВОГО ХОЛОДИЛЬНИКА 
.......................................................... 16 
Лабораторная работа 4  
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ 
ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЫТОВОГО ХОЛОДИЛЬНИКА ............................................ 32 
Лабораторная работа 5  
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БЫТОВОГО 
ХОЛОДИЛЬНИКА ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОЙ РАБОТЕ 
......................................... 37 
2. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ 
.................................................................................. 41 
Практическая работа 1  
РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ 
УСТАНОВКИ .......................................................................................................... 41 
Практическая работа 2 
РАСЧЕТ ИЗОЛЯЦИИ ОХЛАЖДАЕМЫХ ПОМЕЩЕНИЙ .............................. 48 
Практическая работа 3 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОХЛАЖДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ........ 58 
Практическая работа 4 
ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА 
..................... 71 
Список литературы ................................................................................................... 102 
3 

П Р А В И Л А  Т Е Х Н И К И  Б Е З О П А С Н О С Т И  П Р И  Р А Б О Т Е
Н А  Л А Б О Р А Т О Р Н Ы Х  У С Т А Н О В К А Х  
1. К проведению эксперимента студенты допускаются только после собеседования с преподавателем по теме выполняемой работы. 
2. Категорически запрещается самостоятельное включение установки. 
3. Корпуса электродвигателей, компрессоров и основных аппаратов стенда должны иметь надежное заземление. 
4. Перед включением агрегатов, имеющих водяное охлаждение,
необходимо проверить циркуляцию охлаждающей воды. 
5. Включение, регулирование и отключение стендов проводить
в порядке, указанном в данном практикуме. 
6. Запрещается прикасаться к движущимся частям установки как
во время работы, так и при автоматической остановке до устранения 
возможности автоматического включения. 
7. Запрещается проведение ремонтных работ на включенном или
находящемся под избыточным давлением стенде. 
8. Запрещается курение или применение открытого огня в помещении лаборатории. 
9. Установку немедленно выключить:
– при появлении резких стуков и ударов в механизме движения;
– при прекращении циркуляции охлаждающей воды.
4 

.  Л А Б О Р А Т О Р Н Ы Е  Р А Б О Т Ы
Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а  1
И С С Л Е Д О В А Н И Е  Л Ь Д О О Б Р А З О В А Н И Я
У  О Х Л А Ж Д А Е М Ы Х  С Т Е Н О К   
Цель работы: определить экспериментальным путем зависимости, характеризующие динамику намораживания льда в воде. 
Краткие теоретические сведения 
Охлаждение с помощью искусственного льда является одним из 
способов безмашинного охлаждения. Искусственный лед получают путем замораживания воды в специальных теплообменных аппаратах, которые называют льдогенераторами. Такое замораживание осуществляют на интенсивно охлаждаемых металлических поверхностях. Ими 
являются либо стенки ледоформы, либо испаритель, погруженный 
в воду или орошаемый водой. Процесс кристаллизации поверхностного 
льда локализуется в пограничном слое переохлажденной воды. Температура возникающего зародыша кристалла льда равна температуре фазового превращения, т. е. 0 °С. Вокруг возникающих зародышей кристаллов возникает скачок температуры из-за выделения теплоты кристаллизации. Вследствие этого зародыши льда могут расплавиться. Поэтому процесс льдообразования можно обеспечить только непрерывным отводом теплоты кристаллизации, равной 334 кДж/кг. При температуре 0 °С возможно динамическое равновесие льда и воды. Обычно 
источниками кристаллизации воды являются незначительные твердые 
примеси, которые всегда в ней присутствуют. Переохлаждение воды 
при образовании поверхностного льда составляет от –0,02 до –0,11 °С. 
Линейная скорость кристаллизации воды на поверхности охлаждения 
составляет 2–30 мм/мин. Поэтому в практических расчетах с достаточной точностью можно принимать температуру смоченной поверхности 
льда tл0, равной 0 °С, что позволяет получить сравнительно простые 
расчетные зависимости. 
5 

При кристаллизации вода превращается в новую, более устойчивую в данных условиях фазу – лед. Теплоемкость воды сw изменяется 
с 4,23 кДж/(кг∙К) до теплоемкости льда сл = 2,12 кДж/(кг∙К); теплопроводность воды изменяется с λw = 0,55 Вт/(м∙К) до λл = 2,22 Вт/(м∙К). 
По сравнению с водой средняя диэлектрическая проницаемость у льда 
меньше в 30 раз, а электропроводность меньше в 500 раз. 
Расчет продолжительности процесса льдообразования при отводе тепла через нарастающий слой льда осложнен проблемой распределения тепла в среде, фазовое состояние которой меняется. Частная 
задача расчета времени замерзания плоского слоя воды может быть выражена через уравнение теплового баланса. Однако оно достаточно 
сложное для выполнения практических расчетов. Поэтому пользуются 
более простыми зависимостями, которые можно получить, приравняв 
количество тепла, отведенного в окружающую среду, к количеству 
тепла, которое проходит через слой льда δл и металлическую стенку 
толщиной δw. В результате решения получается следующее выражение, 
определяющее время намораживания слоя льда толщиной δл у охлаждаемой плоской стенки: 
τ =
r
)), 
⋅(δл + λл ⋅(tл0 −t0)
δл max
(tw −tл0) ⋅α1
αл ⋅(tw −tло) ⋅ln (1 −
δл
где r = 3,01∙105 кДж/м3 – скрытая теплота льдообразования, отнесенная 
к единице объема намораживания льда; tw – температура воды; 
α1 – коэффициент теплоотдачи от воды ко льду; tл0 – температура поверхности льда в период льдообразования; t0 – температура охлаждающей среды (температура кипения хладагента); δл max – максимальная 
толщина льда, образующегося на плоской стенке при температуре 
воды tw и температуре металлической стенки tст. В этом случае тепловой 
поток, идущий от воды и вызывающий таяние льда, и тепловой поток, 
отводимый в охлаждающую среду, будут равны. 
Значение δл max находится из следующего выражения: 
+ 1
)] ,
δлmax =  λл ⋅[
tл0 −tcт
λст
α2
α1 ⋅(tw −tл0) −(δcт
где α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к хладагенту. 
6 

Если температура воды, подаваемой в ледоформу, равна нулю 
(tw = 0 °С), то время намораживания льда у плоской стенки можно определить по приближенной формуле 
0
л
л
ст
л
ст
ст
л
2
r
1
.
t





=

+
+







В некоторых случаях удобно пользоваться формулой Планка: 
л
л
ст
0
л
2
q
R
Р
,
t




=

+






где R и Р – коэффициенты, зависящие от формы блока льда; 
w
л
q
4,19 t
339
2,1 t
=

+
−

, кДж/кг, – количество тепла, которое отводится от 1 кг воды с начальной температурой tw для получения льда со 
средней конечной температурой tл. 
Описание лабораторной установки 
Схема экспериментальной установки для исследования процессов льдообразования представлена на рис. 1.1. Испаритель 1 холодильного агрегата помещен в камеру 2, имеющую слой теплоизоляции 3. 
Верхняя крышка 4 камеры съемная, и в ней закреплена ледоформа 5. 
Зазор между крышкой и камерой можно регулировать и, следовательно, 
изменять расстояние между дном ледоформы и поверхностью испарителя. Это, в свою очередь, приводит к изменению теплового сопротивления воздушной прослойки и позволяет при постоянной температуре 
поверхности испарителя устанавливать требуемую температуру поверхности льдообразования. 
Ледоформа представляет собой цилиндр диаметром 150 мм и высотой 40 мм. Дно выполнено из меди толщиной 3 мм, а корпус – из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Боковые стенки изолированы, чтобы 
исключить приток тепла из окружающей среды. В крышке ледоформы 
имеется штуцер 6, к которому крепится стеклянная трубка 7 диаметром 
5 мм и длиной 300 мм. В процессе льдообразования по изменению 
уровня жидкости в трубке можно судить о скорости нарастания льда на 
днище ледоформы. 
7 

Температура воды в ледоформе tw определяется по термоЭДС ∆Еw 
хромель-копелевой термопары 8, погруженной в воду. Температура 
наружной поверхности формы tст, контактирующей с испарителем, 
определяется по термоЭДС термопары 9 ∆Ест. Температура окружающей среды tос измеряется лабораторным термометром.  
 
Рис. 1.1. Схема экспериментальной установки: 1 – испаритель;  
2 – камера; 3 – теплоизоляция; 4 – верхняя крышка; 5 – ледоформа;  
6 – штуцер; 7 – стеклянная трубка; 8, 9 – термопары  
 
Порядок проведения эксперимента 
 
1. Заполнить ледоформу 5 водой до отметки на стеклянной трубке 7. 
2. Установить требуемый зазор между поверхностью испарителя 
и дном ледоформы. 
3. Произвести запуск холодильного агрегата. 
4. Периодически, через 2–3 мин, контролировать температуру дна 
ледоформы tст, замеряя ∆Ест термопары 9: 
tст = 15,625 · ∆Ест + tос, °С, 
8 

где 15,625 ⋅ΔЕст =  Δtст – разница температур между измеряемой точкой и температурой среды tос, где установлен милливольтметр, °С; 
15,625 – градуировочный коэффициент для хромель-копелевой термопары; 
ст
Е

– величина замеренной термоЭДС термопары, мВ (в формулу подставлять с учетом знака, т. е. для температур ниже tос величина 
измеренной термоЭДС будет отрицательной). 
5. После установления значения температуры дна ледоформы 
tст = 0 °С записать уровень воды h0 по шкале на капилляре. 
6. В момент начала подъема жидкости включить секундомер. 
7. С интервалом в 1–2 мин произвести запись 10 значений уровня 
воды в капилляре, величин термоЭДС ∆Eст и ∆Еw и занести их в протокол испытаний (табл. 1.1). 
 
Таблица 1.1 
Протокол испытаний  
№ 
Измеряемая  
Номер замера 
п/п 
величина 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
1 
τ, с 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
h, мм 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
∆Ест, мВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
∆Ew, мВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
tос, °С 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
h0 = … мм 
 
Обработка результатов 
 
Определить для каждого момента времени τi высоту подъема 
воды в капилляре: 
Δh = hi −hi−1, 
где i – номер замера. 
Вычислить объем воды, вытесненной образовавшимся льдом: 
ΔVi = fк ⋅Δhi ⋅10−3,  м3, 
где fк – площадь поперечного сечения капилляра, м2. 
Определить массу образовавшегося льда: 
ΔVi
Δmi =
( 1
ρл−1
ρw), кг, 
9 

где ρл = 916,8 кг /м3; ρw = 999,9 кг /м3 – плотности льда и воды при температуре 0 °С. 
Найти толщину образовавшегося льда в каждый промежуток времени: 
i
лi


=


 м, 
m
,
f
л
ф
где fф =1,77·10-2 м2 – площадь поверхности льдообразования. 
Найти толщину льда, образовавшегося с момента начала льдообразования до момента времени τi: 
′ + δл(i−1), м. 
δлi = δлi
При расчетах принять значение δло = 0 м и количество льда, образовавшегося в первый промежуток времени, что соответствует объему вытесненной воды. 
Построить 
график 
зависимости 
толщины 
льда 
от 
времени δл = f(τ). Кривую следует провести так, чтобы экспериментальные 
точки располагались относительно нее равномерно по обе стороны. 
Для момента времени τi по графику δл = f(τ) определить величину dδлi /dτ, характеризующую темп намораживания льда: 
(
)
лi
л(i 1)
лi
(i 1)
i
d
/ d
m / ((
) m ),
+

+


= 
−


−
  м/с, 
где mδ – масштаб по оси δ; mτ – масштаб по оси τ. 
Определить темп намораживания льда для i-го промежутка времени: 
лi
i
ф
л
d
g
f
к
.
,
d
г / с

=



  
Построить график зависимости темпа намораживания льда по 
времени gi = f(τ). 
Определить для каждого момента времени τi температуру 
воды Тwi и температуру дна ледоформы Тстi по следующим формулам: 
W
Wi
ос
i
15,6
Т
25· Е
t
273

+
=
+
, К; 
Т
СТi
ос
С i
15,6
Т
273
25· Е
t
=
+

+
, К. 
10