Расчеты схем теплонасосных и холодильных установок

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Южно-Уральский  государственный университет»

Факультет Энергетический

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

Пояснительная записка к семестровому заданию

по дисциплине «Теплоносители и  холодильные установки»

Тема: “ Расчеты схем теплонасосных и холодильных установок”

Вариант № 21

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Нормоконтролер:     Руководитель:

Жиргалова Т.Б.          Заболотный В.В.

     __________                                           __________                   

“____” __________2010 г.   “____” __________2010 г.

                                                                Выполнил:

                                                                Студент группы Э-450

                                                                ________ Заболотный В.В.

                                                                 “____” __________2010 г.

г. Челябинск, 2010 г.

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Аннотация

Заболотный В.В.– Челябинск: ЮУрГУ, Э, 2010,  __ с,  _ ил. Библиография литературы – _ наим.

В данной семестровой работе проведен расчет компрессорной парожидкостной одноступенчатой холодильной установки с рекуперативным теплообменником. По полученным расчетам было выбрано основное оборудование. Проведен эксергетический баланс холодильной установки.

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Инв. № подл.

Разраб.

Заболотный

11.10

Теплонасосные и холодильные установки.

Задание № 21

Лит.

Лист

Листов

Проверил

Заболотный

11.10

4

ЮУрГУ

Каф. ПТЭ

Н. контр

Заболотный

11.10

Утв.

Торопов Е.В.

11.10

Содержание

                                                                                                Стр.

Введение                                                                                        6

1.Расчет холодильного цикла                                                                  7

1.1 Принципиальная схема установки                                                         7

1.2. Расчёт основных параметров цикла                                                      8

2. Характерные  величины цикла                                                             10

3. Эксергетический анализ                                                                   11

4.Подбор оборудования                                                                       14

Заключение.

Литература

Приложение 1

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

5

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Введение

     В настоящей работе приведён энергетический и эксергетический анализ холодильной установки, подобрано основное оборудование.

     Приведённые материалы являются исходной базой для разработки проекта холодильной установки.

Разработанные мероприятия направлены на:

• Повышение качества холодоснабжения;
• Снижение капитальных затрат на создание системы холодоснабжения;
• Снижение затрат на содержание системы холодоснабжения.

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

6

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1.Расчет холодильного цикла

1.1. Принципиальная схема установки.

В схемах холодильных установок  малой и средней холодопроизводительности, независимо от способа охлаждения, включается регенеративный теплообменник (РТ). На рис.1. приведена схема для ХЛУ

Рис.1. Принципиальная схема парожидкостной холодильной установки: КМ - компрессор; К - конденсатор; РТ - регенеративный теплообменник; РД - регулирующий вентиль; И - испаритель.

Принцип действия установки состоит  в следующем. Компрессор отсасывает пары хладагента из испарителя при  давлении Р_о  и сжимает их до давления Р_к (процесс 1-2 на рис.2). Сжатый пар поступает в конденсатор, где он под воздействием ВИТ (вода) переходит в состояние насыщения, а затем конденсируется при температуре Т_к (процесс 2-3 на рис.2). При этом ВИТ нагревается от температуры Т’_в до температуры Т’’_вк. Жидкий агент направляется в регенеративный теплообменник РТ (рис.1.), где происходит понижение его температуры на величину DТ=Т₃–Т₄ (процесс 3-4 на рис.2). Дополнительное охлаждение осуществляется под воздействием холодных паров агента, выходящих из испарителя в РТ. При дросселировании агента в РД происходит понижение его давления и температуры с переходом в состояние влажного пара. Жидкая фаза, поступая в испаритель, кипит при температуре Т₀ за счет тепла, подводимого от НИТ (процесс 5 – 6 на рис.2). Нагрев парообразного агента в РТ изображен процессом 6-1 на рис.2. Процесс на  
T,s-диаграмме парожидкостной холодильной установки приведен на рис.2.

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

7

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Рис.2. Процесс в T,s-диаграмме парожидкостной холодильной установки.

1.2. Расчёт основных параметров цикла.

Расчетная температура  испарения (рис.3), давление и энтальпия, энтропия в т.6  
t₀ = t_н2 - Δt_и = -28 ^оС

Рис.3. Расчетная температура испарения.

По T,s-диаграмме и таблицам(прил.1) определяем давление и энтальпию. энтропию в т.6: p₀ = 0,114 МПа, h₆ = 560,095 кДж/кг, s₆ = 4770,42 Дж/(кгК).

Расчетная температура (рис.4) и давление конденсации, энтальпия и энтропия в т.3:

t_к = t_в1 + Δt_к = 30 ^оС

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

8

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Рис.4. Расчетная температура конденсации.

По T,s-диаграмме и таблицам (прил.1) определяем давление и энтальпию. энтропию в т.3: p_К = 0,773 МПа, h₃ = 447,88 кДж/кг, s₃ = 4286,94 Дж/(кгК).

Расчетная температура  энтальпия и энтропия в т.1:

Перегрев пара перед компрессором ΔТ_п  составляет 5 – 15 ^оС, принимаю разность температур ΔТ_п = 10 ^оС:

t₁ = t₆ + ΔТ_п = -18 ^оС

По T,s-диаграмме и таблицам (прил.1) определяем давление и энтальпию, энтропию в т.1: p₁ = 0,114 МПа, h₁ = 566,8 кДж/кг, s₁ = 4792,07 Дж/(кгК).

Температура, энтальпия и энтропия в т.2:

Определяем энтальпию паров хладона после идеального компрессора т.2’ 
h_2’ = 602,17 кДж/кг.

Принимаю внутренний адиабатный КПД компрессора: η_i =0,8

Определяем  энтальпию рабочего агента на выходе из компрессора т.2:

h₂ = h₁ +а_в/η_i=h₁+(h’₂ - h₁)/η_i = 611,01 кДж/кг.

По T,s-диаграмме (прил.1) определяем температуру энтропию в т.2: t₂ = 65 ^оС, 
s₂ = 4819,33 Дж/(кг К).

Температура, энтальпия  и энтропия в т.4:

Энтальпию в т. 4 находим по тепловому балансу РТ (h₁-h₆ = h₃-h₄), откуда:

h₄ = h₃ – (h₁-h₆) = 447,88 - (566,8 - 560,095) = 441,18 кДж/кг

По T,s-диаграмме (прил.1) определяем температуру, энтропию в т.4: t₄ = 23 ^оС, 
s₄ = 4266,15 Дж/(кг К).

Энтропия в т.5:

По  T,s-диаграмме (прил.1) определяем энтропию в т.5: s₅ = 4287,06 Дж/(кг К).

Проверочный расчет энтропии в т.5:

s_5c = s’·(1–х) + s”·х=4090,66·(1-0,283)+ 4770,42·0,283=4283,029 Дж/(кг×К). 
где s’=4090,66 Дж/(кг×К), s”=4770,42 Дж/(кг×К) по таблице прил.1,

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

9

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

х – степень сухости и равна x=0,283 (прил.1).

Погрешность расчета энтропии в  т.5:

δ = 1 - s_5c / s₅ = 0,09%

Точность определения энтропии в т.5 достаточная для инженерных расчетов (0,09% < 1%)

Значения удельных эксергий хладона  в характерных точках процесса определим по е, h -диаграмме и по формуле:

e = h - h_о.с. - Tо.с.(s - s_о.с) = h - T_о.с. s - (h_о.с. - T_о.с. s_о.с) 
Найдем по T,s-диаграмме (прил.1) энтропию. энтальпию хладона R12 при параметрах окружающей среды р_о.с. = 0,1 МПа, T_о.с. = 293 K:

h_о.с.= 589,03 кДж/кг, s_о.с = 4885,33 Дж/(кг×К)

Значения температуры, давления, энтальпии, энтропии, эксергии точек 1, 2, 3, 4, 5 сведём в таблицу 1.

Таблица 1

Строим процесс на T,s – и e,h - диаграмме (прил. 1)

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

10

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

2. Характерные величины цикла

Удельная нагрузка испарителя:

q₀ = h₆ - h₅ = 119 кДж/кг

Массовый расход хладагента

G=Q₀ / q₀= 0,3912 кг/с (1408,31 кг/ч)

Удельная внутренняя работа компрессора:

а_в = h₂ - h₁= 44,21 кДж/кг

Удельная тепловая нагрузка конденсатора:

q_К = h₂ - h₃ = 163,13 кДж/кг

Удельная тепловая нагрузка регенеративного  теплообменника по жидкости:

q_рт = h₃ - h₄ = 6,71 кДж/кг

Полная тепловая нагрузка регенеративного теплообменника по жидкости:

Q_рт = q_рт G = 2,62 кВт

Проверка решения по I закону термодинамики:

q = a_в + q₀+q_рт = 169,83 кДж/кг

q = q_к + q_рт = 169,83 кДж/кг

Объемная производительность компрессора:

V₀ = G ν₁ = 249,06 м³/ч (0,0692 м³/с)

Тепловая нагрузка конденсатора:

Q_К = G q_К = 63,81 кВт

Удельная работа, затраченная на компрессор с учетом электромеханического КПД, при η_эм = 0,9

а_К = а_в / η_эм = 49,12 кДж/кг

Электрическая мощность компрессора:

N_э = а_К G = 19,22 кВт

Принимаем электрическую мощность компрессора в 22 кВт.

Холодильный коэффициент:

Удельный расход электроэнергии на единицу выработанного холода:

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

11

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

3. Эксергетический анализ цикла.

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 = 49,12 кДж/кг

2. Электромеханические потери эксергии:

d_эм = e_вх - e_вх η_эм= e_вх(1 - η_эм) = 4,91 кДж/кг

3. Удельная эксергия, подводимая к компрессору:

e_в = e_вх - d_эм = 44,21 кДж/кг

4. Внутренние потери эксергии в компрессоре:

d_км = e_в – (e₂ – e₁) = 7,99 кДж/кг

5. Удельная работа компрессора:

e_к = e₂ – e₁ = 36,22 кДж/кг

6. Эксергетический коэффициент полезного действия компрессора:

η_к = ((e_в - d_км) / e_в ) 100 = 81,92 %

7. Потери эксергии в конденсаторе:

Δ e_2-3 = e₂ – e₃ = 7,05 кДж/кг

8. Средняя температура охлаждающей воды:

T_в.ср = (T_в1 – T_в2)/2 + 273 = 295 К

9. Коэффициент работоспособности охлаждающей воды:

(τ_q)_в = 1 - T_о.с / T_в.ср = 0,007

10. Эксергия, полученная водой:

Δ e_в2-в3 = q_к (τ_q)_н = 3,80 кДж/кг

11. Потери эксергии вследствие необратимого теплообмена:

d_к.т = Δ e_2-3 - Δ e_в2-в3 = 3,25 кДж/кг

12. КПД конденсатора:

η_к = (Δ e_в2-в3 / Δ e_2-3) 100% = 53,85%

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_в2-в3 = 7,05 кДж/кг

η_к = 0%

13. Эксергия, отданная жидким хладона в регенеративном теплообменнике:

Δ e_3-4 = e₃ – e₄ = 0,61 кДж/кг

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

12

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

14. Эксергия, полученная паром хладона в регенеративном теплообменнике:

Δ e_1-6 = e₁ – e₆ = 0,36 кДж/кг

15. Потери эксергии в регенеративном теплообменнике:

d_рп = Δ e_3-4 - Δ e_1-6 = 0,25 кДж/кг

16. КПД регенеративного теплообменника:

η_рп = (Δ e_1-6/ Δ e_3-4) 100% = 58,78%

17. Потери эксергии в регулирующем клапане (дросселе):

d_рв = e₄ – e₅= 6,13 кДж/кг

18. КПД дросселя:

η_др =( e₅ / e₄) 100% = 81,80%

19. Эксергия, отданная хладоном в испарителе:

Δ e_5-6 = e₅ – e₆ = 22,78 кДж/кг

20. Средняя температура воздуха:

T_н.ср = (T_н1 – T_н2)/2 + 273 = 250 К

21. Коэффициент работоспособности воздуха:

(τ_q)_н = 1 - T_о.с / T_н.ср = -0,172

22. Эксергия, полученная воздухом:

е₀ = Δ e_н2-1 = e_н2 - e_н1=q₀ (τ_q)_срн = 20,45 кДж/кг

23. Потери эксергии вследствие необратимого теплообмена в испарителе:

d_и = Δ e_5-1 - Δ e_н2-1 = 2,33 кДж/кг

24. КПД испарителя:

η_и = (Δ e_н2-1 / Δ e_5-1) 100% = 89,77%

Эксергетический баланс установки  приведен в табл. 2.

Таблица 2

Коэффициент полезного действия теплообменно-дроссельной части установки:

η_т.д = (e₀ /( Δe_2-1)) 100% = 56,47%

Полный КПД установки:

η' = e₀ /( e_вх) 100% = 41,64%

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

13

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

4.Подбор оборудования.

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

14

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

15

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

16

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

17

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Заключение

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Э-450.140104.870.00.ПЗ

Лист

18

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

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.

Подп. и дата

Инв. № дубл.

Взам. Инв. №

Подп. и дата

Инв. № подл.

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата