Расчеты схем теплонасосных и холодильных установок

Составим эксергетический  баланс для 1 кг/с расхода рабочего тела.

1. Удельное количество  эксергии, подведенной к установке,  по измерениям на зажимах электродвигателя  компрессора:

e_вх = N_э / G = 6,862 / 0,02 =343,1  кДж/кг

2. Электромеханические  потери эксергии:

d_эм = e_вх - e_вх η_эм= e_вх(1 - η_эм) = 343,1(1-0,9) = 34,31    кДж/кг

3. Удельная эксергия, подводимая к компрессору:

e_в = e_вх - d_эм = 343,1 – 34,31 = 308,79   кДж/кг

4. Внутренние  потери эксергии в компрессоре:

d_км = e_в – (e₂ – e₁) = 308,79 – (393,435 – 134,202) = 49,56   кДж/кг

5. Удельная работа  компрессора:

e_к = e₂ – e₁ = 393,435 – 134,202 = 259,233   кДж/кг

6. Эксергетический  коэффициент полезного действия  компрессора:

η_к = ((e_в - d_км) / e_в ) 100 = (308,79 – 49,56)/ 308,79)100 = 83,95  %

7. Потери эксергии  в конденсаторе:

Δ e_2-3 = e₂ – e₃ = 393,435  – 305,026 = 88,409  кДж/кг

8. Средняя температура  охлаждающей воды:

T_в.ср = (T_в1 – T_в2)/2 + 273 = (24-18) / 2 +273 = 276    К

9. Коэффициент  работоспособности охлаждающей  воды:

(τ_q)_в = 1 - T_о.с / T_в.ср = 1 – 293/ 276 = -0,06

10. Эксергия, полученная  водой:

Δ e_в2-в3 = q_к (τ_q)_н = 1417,75*0,06 = 85,069   кДж/кг

11. Потери эксергии  вследствие необратимого теплообмена:

d_к.т = Δ e_2-3 - Δ e_в2-в3 = 88,409 – 85,065 = 3,34  кДж/кг

12. КПД конденсатора:

η_к = (Δ e в_2-в3 / Δ e_2-3) 100% = (85,065 / 88,409) 100 = 96,22 %

Так как эксергия охлаждающей воды после конденсаторов  компрессионных установок обычно не используется, то суммарные потери эксергии в конденсаторе составят:

d_к = d_к.т + Δ e в_2-в3 =   3,34 + 85,069 = 88,409  кДж/кг   

η_к = 0%

13. Эксергия, полученная в переохладителе

W = Qох / Cp Δt - расход воды

Δ e_3-4 = e₄ – e₃ = 322,015– 305,026 = 17 кДж/кг

 Δe = W Δ e_3-4  - Δ e_{3-4 =} 66,308 – 17 = 49,308 кДж/кг

14. КПД переохладителя:

η_по = (Δ e₃/ Δ e₄) 100% = (305,026 / 322,015)100 = 94,72   %

15. Потери эксергии в регулирующем клапане (дросселе):

d_рв = e₄ – e₅=  322,015 – 235,243 = 86,77   кДж/кг

16. КПД дросселя:

η_др =( e₅ / e₄) 100% = (235,243 / 322,015)100 = 73   %

17. Эксергия, отданная хладоном в испарителе:

Δ e_1-5 = e₁ – e₅ = 134,202 –235,243  = 101,041   кДж/кг 

18. Средняя температура воздуха:

T_н.ср = (T_н1 – T_н2)/2 + 273 = (-5 – 10)/2 +273 = 265,5 К

21. Коэффициент  работоспособности воздуха:

(τ_q)_н = 1 - T_о.с / T_н.ср = 1 – 293 / 265,5 = - 0,1

22. Эксергия, полученная  воздухом:

е₀ = Δ e_н2-1 = e_н2 - e_н1=q₀ (τ_q)_срн = 1172 *0,1 = 117,2 кДж/кг 

23. Потери эксергии  вследствие необратимого теплообмена  в испарителе:

d_и = Δ e_5-1 - Δ e_н2-1 =  101,041 – 117,2 = 16,159  кДж/кг 

24. КПД испарителя:

η_и = (Δ e_н2-1 / Δ e_5-1) 100% =(101,041 /117,2)100 = 86,21   %

Эксергетический баланс установки приведен в табл. 2. 
 
 

Таблица 2

 

Коэффициент полезного  действия теплообменно-дроссельной  части установки:

η_т.д = (e₀ /( Δe_2-1)) 100% = (117,2 /259,233)100% = 45,21%

Полный КПД  установки:

η' = e₀ /( e_вх) 100% = (117,2 /343,1)100% = 34,2%  
 
 
 
 

4.Подбор оборудования. 

Холодопроизводительность  установки:

Q0 = 20,93 кВт

Подбор оборудования ведем по программе Select 7/39780

Основные  преимущества хладагента аммиак (R717) обусловлены  тем, что он: 
- обладает термодинамическими и теплофизическими характеристиками, позволяющими получать высокий КПД в холодильных установках; 
- химически нейтрален по отношению к большинству конструкционных материалов холодильных установок, за исключением меди и сплавов на ее основе; 
- не растворяется в смазочных маслах, применяемых в конструкциях холодильных установок, не чувствителен к влаге и легко обнаруживается в случае утечки; 
- не способствует созданию парникового эффекта; 
- имеет невысокую стоимость (не более 2200 рублей за тонну) и легко доступен на рынке.  
Вместе с тем у аммиака есть ряд серьезных недостатков. В частности, это вещество: 
- обладает высокой токсичностью (считается, что предельно допустимая концентрация аммиака в рабочих помещениях должна быть не выше 20 мг/м3, однако даже при более слабой концентрации характерный запах аммиака в случае его появления вызывает сильную панику; при более высоких концентрациях появляются серьезные затруднения дыхания вплоть до удушья; смертельная концентрация аммиака - 30 г/м3); 
- является взрывоопасным (при концентрации в воздухе 200-300 г/м3 возникает угроза самопроизвольного взрыва; температура самовоспламенения равна 650 °С); 
- создает опасность ожогов при растворении в воде, поскольку этот процесс

сопровождается  выделением значительного количества тепла; 
- имеет высокую температуру нагнетания при сжатии в холодильных компрессорах.

Поэтому его  могут заменять фреонами. В качестве замены для подбора оборудования применим R600a. Краткие физические свойства приведены в таблице 3. 

Таблица 3

 

      Расчет  компрессоров заключается в определение  необходимого действительного объема, описываемого  поршнями  в  единицу  времени

                                                     ,  м³/с ,

где  V₀ — теоретический объем, м³/с ,определяется из выражения(6.6);

l — коэффициент подачи  компрессора, он рассчитывается:

                                                      l=l_с l_¶р l_t l_пл . 

выбираем  несколько однотипных компрессоров, включенных параллельно в схему установки и обеспечивающих суммарную подачу. Общее число компрессоров с учетом одного резервного определится:

                              К = К_раб + 1 . 

Объем, описываемый поршнями в единицу времени  одним компрессором

                               , м³ /с. 

   Расход воды (воздуха) на конденсатор:

       , м³/с,

где Cp — теплоёмкость воды (воздуха), кДж/(кг×К); — нагрев воды (воздуха) в конденсаторе. 

Перепад давления Δp = 0,5 бар

Переохлаждение  ΔT = 4 ^оС 

Результаты расчета  и схема  установки с приборами измерения представлены в приложениях. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение. 

            В ходе выполнения семестрового  задания мной была рассчитана  холодильная установка, определены  основные энергетические параметры.

           Рекомендации:

1. Заменить хладагент R717 на R600a

   2. Разбить установку на несколько для увеличения надежности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература

1. Везиришвили  О.Ш., Меладзе Н.В. Энергосберегающие  теплонасосные системы тепло  – и хладоснабжения. — М.:Изд-во  МЭИ, 1994. — 160с., ил.

2. Горбенко В.И., Юртаев М.А. Расчёт парожидкостных  компрессионных одноступенчатых  холодильных и теплонасосных  установок. - Ч: Изд. ЮУрГУ, 2002. —  38 с., ил.

3. Горбенко В.И.  Конспект лекций. - Ч: Изд. ЮУрГУ, 2002. — 38 с., ил.

4. Курылев Е.С., Герасимов Н.А. Холодильные установки. – Л.: Машиностроение, 1980. – 622 с., ил.

5. Мартынов А.В.  Установки для трансформации  тепла и охлаждения. – М.: Энергоиздат, 1989. – 320 с., ил.

6. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические  основы трансформации тепла и процессов охлаждения. – М.: Энергоиздат, 1981. – 320 с., ил.

7. Теплофизические  основы получения искусственного  холода: Справочник серии «Холодильная  техника». — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 232с.

8. Холодильные  компрессоры: Справочник серии «Холодильная техника». — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. — 280с.

9. Холодильные  машины: Справочник серии «Холодильная  техника». — М.: Легкая и пищевая  промышленность, 1982. — 223с.

10. Щербин Н.К., Гринберг Я.И. Холодильные станции  и установки. — М.: Химия, 1979. — 376с.