Моделирование термодинамического анализа двухступенчатой холодильной машины

УДК 621.1.016.7

Л. В. Галимова, Ю. Г. Гундарева, А. В. Костюрин, Ю. С. Хахалева

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Одним из направлений решения проблем энергосбережения является анализ работы технических систем, потребляющих и преобразующих энергию. Задача эксергетического анализа -оценка степени термодинамического совершенства технической системы в целом, а также выявление тех стадий технического процесса, на которых происходят основные потери эксергии (потенциальной работоспособности системы).

Эксергетический анализ любого исследуемого объекта дает, после соответствующей обработки, информацию, показывающую скрытые в энергетическом балансе характеристики, необходимые для исследования и совершенствования объекта.

Процессы, происходящие в холодильных установках, как и все реальные процессы, сопровождаются потерями вследствие необратимости. Это означает, что часть подведённой к установке энергии, которая могла бы дать полезный эффект, не используется.

Оценка энергоэффективности агрегатов эксплуатируемой и модернизируемой холодильной установки может быть осуществлена на основе определения обобщенного показателя энергетической эффективности (эксергетического КПД), значение которого показывает степень приближения установки к идеальной.

Целью исследований являлся анализ двухступенчатой промышленной аммиачной холодильной установки одного из старейших предприятий пищевой промышленности г. Астрахани АООТ «Астраханьконсервпром». На первом этапе исследования необходимо было проанализировать результаты наблюдений за работой установки и создать метод для проведения обследования.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

— разработать комплексную методику теплового и эксергетического расчётов элементов и холодильной машины в целом и в соответствии с ней определить показатели энергетической эффективности системы;

— разработать блок-схему и программный код теплового и эксергетического расчетов для определения показателей энергетической эффективности системы в изменяемых рабочих режимах;

— выполнить численный эксперимент и подтвердить адекватность программного кода.

В двухступенчатой холодильной машине осуществляется обратный цикл с полным промежуточным охлаждением паров холодильного агента после сжатия в компрессоре ступени низкого давления и с переохлаждением жидкого холодильного агента высокого давления в змеевике промежуточного сосуда. Промышленная установка создана на основе двух компрессорно-конденсаторных агрегатов АД-90-1.

Ступени низкого давления холодильной машины представлены компрессором Р-90 (КмСНД), ступени высокого давления - компрессором П-110 (КмСВД). Оба компрессора -бескрейцкопфные, выполнены на единой базе и широко унифицированы между собой.

Помимо оборудования, входящего в состав компрессорно-конденсаторных агрегатов, холодильная установка включает в себя следующие аппараты и приборы:

— промежуточный сосуд 600-СПА - вертикальный сварной цилиндрический аппарат, предназначенный для промежуточного охлаждения паров аммиака, нагнетаемых из цилиндров Р-90 СНД путем их барботажа через слои жидкого аммиака. В змеевике промежуточного сосуда происходит также переохлаждение жидкого холодильного агента высокого давления, направленного к испарителю;

— ресиверы: циркуляционный - 2,5-РДВа, 2 агрегата; 3,5-РДВа, 1 агрегат; дренажный -РД-2,5, 1 агрегат, 1,5-РД, 1 агрегат; линейный - 3,5-РД, 1 агрегат; 5-РД, 2 агрегата;

— насосы: аммиачный - Х45/31/41-В-2Г, 2 агрегата; водяной - 5СЮ-А-1 агрегат; водяной СМ 100-85-200/4, 1 агрегат.

Схема подачи хладагента насосная, непосредственное охлаждение. В охлаждаемом объекте расположены охлаждающие приборы (батареи коллекторные пристенные), в которых за счёт кипения жидкого холодильного агента осуществляется холодильное действие. Образовавшиеся

в батареях влажные пары аммиака поступают в циркуляционный ресивер, где разделяются на вторичную жидкость, возвращаемую в циркуляционный ресивер, и сухой насыщенный пар, поступающий во всасывающий трубопровод КмСНД. На линии всасывания компрессора установлен дроссельный расходомер. Перепад давления пара аммиака до и после расходомера определяется по дифференциальному манометру. Сжатые в компрессоре пары аммиака очищаются от масла в маслоотделителе и направляются для межступенчатого охлаждения в промежуточный сосуд.

Из промежуточного сосуда пары аммиака поступают на сжатие в КмСВД и далее, после очистки от масла в маслоотделителе 150-ОММ, подаются в конденсатор 125 КВ. Жидкий аммиак из конденсатора направляется в змеевик промежуточного сосуда, в котором переохлаждается до температуры близкой к температуре жидкости.

Ниже приведена методика теплового и эксергетического расчетов на примере одного из режимов. Исходные данные:

Давление конденсации............................................14,17 атм

Давление кипения................................................0,8 атм

Температура нагнетания КмСНД....................................113 °С

Температура нагнетания КмСВД....................................69,2 °С

Температура перед регулирующим вентилем (РВ)....................35,27 °С

Температура окружающей среды....................................29,3 °С

Температура в камере............................................17 °С

На рис. 1 представлен цикл холодильной машины в диаграмме I-lg P.

*= 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 .....

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

Enthalpy [kJ/kg]

Рис. 1. Цикл холодильной машины

Тепловой расчет

1. Удельная холодопроизводительность, кДж/кг:

q0 = i1 - i7 = 1434 - 363 = 1071.

2. Количество рабочего тела, сжимаемого в КмСВД, кг/кг:

1 о i3 -i7 1554 - 363

1 + a + B = -—- =---------------= 1,1.

i4 - i6 1457 - 371

3. Количество теплоты, отводимой из КмСВД, кДж/кг:

(1 + а + в) • я = (1 + а + Р) • (/5 - *6) = 1,1-(1587 - 371) = 1335 .

4. Количество теплоты, отводимой из промежуточного охладителя, кДж/кг,

Яохл = *2 -*3 = 1734-1554 = 180.

5. Количество теплоты, отводимой от рабочего тела, проходящего через змеевик, кДж/кг:

Язм = *6 - *7 = 371 - 363 = 8.

6. Работа КмСНД, кДж/кг:

1КмСНД = *2 - *1 = 1734 - 1434 = 300 .

7. Работа КмСВД, кДж/кг:

(1 + а + в) • /КмСНД = (1 + а + Ь) • *5 -*4 = 1,1-(1587-1459) = 140,8 .

8. Работа цикла, кДж/кг,

^КмСВД + (1 + а + Ь) • /кмснд = 300 +1,1 • (1587 -1455) = 440,8 .

9. Холодильный коэффициент:

4, = = 2

1ц 440,8

10. Проверка:

Як = 40 + 1КмСНД + 1КмСВД.

1335 = 1071 + 440,8,

1335 = 1511,8.

Д1 = ((Як - (Я0 +1кмСНД +1кмСВД)) Ю0% = 1511,8 -1335 .100 % = 12%.

Як 1511,8

Эксергетический расчет

11. Подведенная эксергия в КмСНД, кДж/кг:

£ = _1кмСН^ = = 401,6 .

К Д Пэл •Лкм 0,9 • 0,83

12. Приращение эксергии в КмСНД:

Де(2; 1) = (*2 -ц) -То.с • (52 - 51) = (1734 -1434) - 302,3 • (6,46 - 5,91) = 120.

13. Потеря эксергии в КмСНД:

^КмСНД = ^КмСВД -Де2-1 = 401,6 - 120 = 281,6 .

14. Подведенная эксергия в КмСВД, кДж/кг:

£КмСВД = /кмСВД = 140,8 = 239,3.

КмСВД Пэл •Лкм 0,9 • 0,65

15. Приращение эксергии в КмСВД, кДж/кг:

Де(5; 4) = (1 + а + р) • (*5 - /4) -То.с • (55 - 54) = 1,1 • (1587 -1459) - 302,3 • (5,44 - 6,51) = 183

16. Потеря эксергии в КмСВД, кДж/кг:

йКмСВД = ^КмСВД -Де5-4 = 239,3 -183 = 56,3 .

17. Потеря эксергии в конденсаторе, кДж/кг,

Уе(5;6) = (1 + а + р) • ((*5 - *6) - То.с • (£5 - 56)) = 1,1 • ((1587 - 371) - 302,3 • (5,44 -1,58)) = 67

^вд = йкд ,

Уевд = Де(5; 6) = 67.

18. Потеря эксергии в РВ^

Уе(6; 6') = (1 + а + р) • (-То.с • (56 - 56,)) = 1,1 • (-302,3 • (-1,63 +1,58)) = 16,6,

V е(6; 6 ) = йрв; .

19. Потеря эксергии в РВ2, кДж/кг:

Vе(7; 7') = -То.с • (57 - 8Т) = -302,3 • (1,56 -1,67) = 33

V е(7; 7 ) = йрв2 .

20. Приращение эксергии в испарителе, кДж/кг,

Деи = Де (7; 1) = (-*1 + /7) - То.с • (-51 + 57) = (-1434 + 363) - 302,3 • (-5,9 +1,56) = 241,

Аеи =еди.

21. Расчёт промсосуда Эксергетическая температура потоков:

т. = ^ _ 113 ~ 29-3 _ 0.22.

Т2 386

_ Та - То.с _(- 5 - 29,3) =

КПД промсосуда:

т _^----------_^---------------^_ 0,13.

е2 Т4 286

п = те2 • (1 + а + Р) = 1,1 • (-0,13) = 065

Те1 0,22 ’ •

Потери эксергии в промсосуде, кДж/кг:

йпс = 1 - 0,65 = 0,35.

22. Проверка:

^КмСНД + ^КмСВД = йКмСНД + йпс + йКмСВД + йРВ1 + йРВ2 + йкд + еЯи

401,6 + 239,3 = 281,6 + 0,35 + 56,3 +16,6 + 33 + 67 + 241 640,9 = 695,85,

А ~ ((^КмСНД + ^КмСВД ) - (йКмСНД + йпс + йКмСВД + йРВ, +йРВ2 +йкд + еЯи )) , 0/

Д2 =------------------------------------------------------------------------------100 % =

^КмСНД + ^КмСВД

= (640,9 - 695,85) = 8 %

640,9 °.

23. Полные потери эксергии в элементах системы:

АССНД = “-------------100 = ^ 100% = 44 %'

ЕКмСНД + ЕКмСВД 640,9

Дпс = -------^----------100 = -035 • 100 % = 0,05 %

ЕКмСНД + ЕКмСВД 640,9

ДКмСВД = йКмСВД-100 = ^100% = 9%

ЕКмСНД + ЕКмСВД 640,9

й 67

Дкд =-----------------------------------------------------------^-100 =-100 % = 10,5 %,

ЕКмСНД + ЕКмСВД 640,9

ДРВ =--------^----------100 = •100% = 2%,

1 ЕКмСНД + ЕКмСВД 640,9

йрв 33

ДРВ =---------РВ^-----------100 = ^- •100% = 5,14 %,

2 ЕКмСНД + ЕКмСНД 640,9

йе„ 241

£> =-----------ея--------------100 = ^~400 % = 38 %.

ЕКмСНД + ЕКмСНД 640,9

24. КПД элементов системы:

ЛкмСНД = 100 - ДКмСНД = 100 - 44 = 56 %, ЛкмСНД = 100 - ДКмСВД = 100 - 9 = 91 %,

100 - Д.™ л- д

Ркд - Ррв. = 100 - 44 - 9 -10,5 - 2

=--------КмСНД-----КмСвд------вд---= ^—' ' " ^ ~ • 100 = 94%,

РВ 100 - ДкмСНД - ДкмСВД - Дкд 100 - 44 - 9 -10,5

100 - дкмСНД - дКмСВД - дкд - дРВ2 100 - 44 - 9-10,5 - 5,14

=-------------------------------------=------------------------100 = 86 % ,

РВ2 100 - ДкмСНД - ДкмСВД - Дкд 100 - 44 - 9-10,5

Ха = Т) -То.с =(-21,5-29,3) = 0,2,

Т0 + 273 251,5

Т - Т

т = в о.с = У 17 = 018

КПД камеры:

Тв + 273 263

Лкам = ^ •100 = 0,18 = 90 %. ам 0,2

Потери эксергии в камере:

Дкам = 100-Лкам = 100 - 90 = 10. Эксергетическая холодопроизводительность системы:

= Дяи - Дкам = 37,81 - 8 = 29,81 %.

По разработанной комплексной методике теплового и эксергетического расчёта элементов холодильной машины были определены показатели энергетической эффективности системы для 9-ти представленных рабочих режимов, полученных на основе результатов производственного эксперимента (наблюдений) на установке.

Результаты расчетов по статистическим данным всех режимов использованы в дальнейшем для определения адекватности разработанной программы.

В соответствии с блок-схемой на языке Visual Basic проведён численный эксперимент для выбранных рабочих режимов. На рис. 2 приведен пример расчета по программе для одного из режимов.

Рис. 2. Интерфейс программы

Для проверки адекватности программы необходимо было сравнить ручной и программный расчеты.

Результаты сравнения ручного и программного расчета для одного из режимов представлены в виде гистограммы.

1 400 1 200 1 000 800 600 400 200

Qo

Qk

КмСНД

и

КмСВД

Рис. 3. Адекватность программы теплового расчета:  - ручной расчет;  - программный расчет

0

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Рис. 4. Адекватность программы эксергетического расчета:

- ручной расчет;  - программный расчет

Таким образом, для проведения анализа работы холодильной установки разработан метод исследования в виде комплексной программы теплового и эксергетического расчета.

Достаточно высокая сходимость результатов статистического расчета и численного эксперимента по элементам холодильной установке дает возможность сделать заключение о возможности применения разработанной программы для оценки эффективности системы в целом.

Статья поступила в редакцию 3.06.2009

MODELLING OF THE THERMODYNAMIC ANALYSIS OF A TWO-LEVEL REFRIGERATOR

L. V. Galimova, Yu. G. Gundareva, A. V. Kostyurin, Yu. S. Khakhaleva

The thermodynamic analysis of refrigerators is one of the solutions of the problem of power savings. The estimation of the efficiency of an industrial refrigerating installation is conducted on the basis of the definition of exergic efficiency. The possibility of the analysis of any two-level refrigerating installation is provided on the basis of modelling with the use of industrial experiment on a refrigerating installation of Ltd. "Astrakhankonservprom".

Key words: exergy, thermodynamic analysis, refrigerating installation, compressor, condenser.

I

ДкмСНД ДкмСВД Дпс Дкд ДрВ1 ДрВ2 Дди Дкам