Методика определения эффективности холодильных систем на основе программирования

УДК [621.56./.59:536.77]:004.4

Л. В. Галимова, Гуиди Тоньон Клотильде,

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

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХОЛОДИЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Введение

Профессиональная подготовка инженеров по специальности «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование» предполагает изучение способов оценки эффективности действующих холодильных систем в различных рабочих режимах. Большой интерес в этом плане представляет термодинамический анализ промышленных холодильных установок. Как считают ведущие ученые-холодильщики, в настоящее время тривиального анализа цикла недостаточно. Решение ищется глубже, с учётом накопленной информации о реальном термодинамическом совершенстве тепло- и хладоэнергетических систем.

Эксергетический способ анализа позволяет исключить использование более громоздкого метода циклов, приводя к тем же результатам более коротким путем.

В настоящее время недостаточно полно проработан аппарат, позволяющий без сложных вычислений получить результат оценки работы технической системы, выводящий на конкретные рекомендации.

В связи с этим целью исследований являлась разработка научно обоснованной методики термодинамической оценки работы холодильных аммиачных машин различного назначения.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— изучение современного состояния вопроса о применении термодинамического метода анализа для оценки эффективности технических систем;

— выбор объектов исследования, описание исследуемых холодильных систем, их назначения и состава;

— моделирование исследуемых холодильных систем; разработка методики комплексного анализа на основе теоретического и экспериментального исследования лабораторной аммиачной холодильной машины кафедры холодильных машин;

— уточнение программы на основе производственного эксперимента на промышленных холодильных установках;

— проведение численного эксперимента с использованием разработанной программы;

— анализ результатов исследования, выработка предложений по условиям эксплуатации холодильных установок.

Объектами исследования были: лабораторная экспериментальная аммиачная холодильная установка кафедры холодильных машин Астраханского государственного технического университета, промышленная аммиачная холодильная установка маслосырбазы «Астраханская», промышленная аммиачная холодильная установка ледогенератора портового холодильника Республики Бенин, двухступенчатая аммиачная холодильная установка Астраханского консервного комбината.

Методика исследования объектов была построена на основе поэтапного решения задач. На первом этапе был проведен анализ цикла экспериментальной лабораторной одноступенчатой холодильной машины. Результатом исследования стали математическая модель и численный эксперимент в соответствии с замеренными рабочими параметрами.

Исследование промышленной холодильной установки Маслосырбазы «Астраханская» вели для режимов, характеризующих её работу в июле, как самом жарком месяце года для г. Астрахани.

Одноступенчатая холодильная установка рыбного порта Ресублики Бенин по своему назначению отличается от перечисленных выше. Охлаждаемым объектом здесь является льдогенератор, работающий круглогодично.

В результате была получена комплексная модель, которая позволяет проводить эксерге-тический анализ одноступенчатых аммиачных холодильных установок различного назначения, получать и анализировать эксергетические показатели эффективности их работы.

Двухступенчатая аммиачная холодильная установка Астраханского консервного завода предназначена для замораживания продуктов. При разработке математической модели были учтены её особенности, связанные с наличием двух ступеней сжатия и промежуточного сосуда.

Для создания моделей было использовано реальное моделирование в виде натурного и физического. С помощью натурного моделирования проведено исследование на промышленных объектах в виде производственного (пассивного) эксперимента. Физическое моделирование (активный эксперимент) проведено на экспериментальной лабораторной установке.

В основу разрабатываемых моделей были положены методики теплового и эксергетиче-ского расчёта [1].

Предварительно, в соответствии с разработанной методикой, были проведены расчёты основных показателей холодильных установок с помощью тепловых диаграмм.

Результаты расчетов использованы в дальнейшем для установления адекватности программного кода.

Блок-схема математической модели построена на основе приведенной методики с использованием зависимостей необходимых термодинамических параметров, полученных при помощи программ CoolPack, Mathcad.

В соответствии с блок-схемой разработана программа на языке Visual Basic.

Ниже приведено содержание программы:

tk = -14.927 * (Val(TextPk.Text)) Л 2 + 63.984 * Val(TextPk.Text) -24 . 026

Texttk.Text = tk

t0 = -214.68 * (Val(TextPO.Text)) Л 2 + 220.36 * Val(TextPO.Text) -52 . 811

TexttO.Text = tO

h11 = 1.279 * tO + 1460

Texth11.Text = h11

h21 = 0.64 * tk + 1465

Texth21.Text = h21

h1 = -0.801 * tO + 2.33 * Val(Texttne.Text) + 1466 Texth1.Text = h1

h2 = -2.131 * tk + 2.968 * Val(Textt2.Text) + 1455 Texth2.Text = h2 h31 = 4.598 * tk + 177.253 Texth31.Text = h31 h3 = 4.475 * tk + 201.964 Texth3.Text = h3 l = h2 - h1 Textl.Text = l qk = h2 - h3 Textqk.Text = qk

G = Val

TextG.Text = G QQk = G * qk TextQQk.Text = QQk N = G *

TextN.Text = N q0 = h11 - h3 TextqO.Text = q0 QQ0 = G * q0 TextQQO.Text = QQ0 eps = QQ0 / N Texteps.Text = eps QQk1 = QQ0 + N

TextQQk1.Text = QQk1

D = (System.Math.Abs(QQk - QQk1) * 100) / QQk TextD.Text = D

En = N /

TextEn.Text = En

s1 = -0.023 * t0 + 0.008852 * Val(Texttne.Text) + 5.632 Texts1.Text = s1

s2 = -0.015 * tk + 0.007228 * Val(Textt2.Text) + 5.633

Texts2.Text = s2

s3 = 0.015 * (tk) + 0.944

Texts3.Text = s3

TTO = 273 + Val

TextTTO.Text = TTO

e21 =

Texte21.Text = e21

dk = -e21 +

Textdk.Text = dk

e23 = h2 - h3 - TTO *

Texte23.Text = e23

s4 = 0.018 * (tk) + 1.012

Texts4.Text = s4

e34 = -TTO *

Texte34.Text = e34

eq = h3 - h1 - TTO *

Texteq.Text = eq

прові =

TextnpoBi.Text = прові

npoBe = e23 + e34 + eq + dk

TextnpoBe.Text = npoBe

DDk = dk * G * 100 / N

TextDDk.Text = DDk

Dkond = e23 * G * 100 / N

TextDkond.Text = Dkond

Drv = e34 * G * 100 / N

TextDrv.Text = Drv

EEq = eq * G * 100 / N

TextEEq.Text = EEq

End Sub

End Class

На основе данной программы разработана комплексная программа анализа одноступенчатых холодильных установок, которая получила государственную регистрацию. Результаты анализа лабораторной установки опубликованы [2].

Подобным же образом с учётом особенностей была разработана программа для анализа двухступенчатой холодильной установки.

По разработанной программе проведен численный эксперимент по данным холодильной установки портового холодильника Республики Бенин (примера расчета в виде интерфейса представлен на рис. 1).

Рис. 1. Интерфейс программы по анализу холодильной установки

Определение адекватности разработанной программы было проведено путем сравнения результатов численного эксперимента и расчетов по методике.

На основе результатов численного эксперимента были построены диаграммы потоков и потерь эксергии в элементах и холодильной установке в целом. Пример диаграммы потоков и потерь эксергии для одного из режимов приведён на рис. 2.

Рис. 2. Диаграмма потоков и потерь эксергии

За 100 % принята входная эксергия, равная мощности электродвигателя компрессора. Далее, по ходу происходящих процессов, отмечаются потери эксергии в каждом элементе, в частности в компрессоре, конденсаторе, регулирующем вентиле.

Диаграммы потоков и потерь эксергии позволяют наглядно судить о степени участия каждого элемента холодильной машины в потере вводимой эксергии (мощности электродвигателя) и о величине эксергетической холодопроизводительности. Как видно из диаграммы, на рис. 2, наибольшие потери характерны для конденсатора, т. к. они звисят от температуры окружающей среды.

Для оценки эффективности работы холодильной установки были построены зависимости эксергетических показателей от рабочих параметров в различных режимах (рис. 3).

пе

Ея{к)

Едісік)

-14,4

-14,2

-14

-13,81

-13,6і

1001 90 80 70'

60 50 40'

30 201 10

_ 0 -13,4|

/0, °С

Рис. 3. Зависимости эксергетических КПД цикла и системы непосредственного охлаждения льдогенератора от температуры кипения: зависимость эксергетической холодопроизводительности цикла расчетной от температуры кипения - ие

Ступенчатость линий определяется тем, что при одной и той же температуре кипения наблюдается разная температура нагнетания (рис. 4). В принципе же линия характеризует достаточно устойчивую работу холодильной машины.

/0, °С

Рис. 4. Зависимость эксергетического КПД компрессора от температуры кипения:

♦ - Ппк

При увеличении температуры нагнетания потери в конденсаторе растут (рис. 5).

Дкопё

?2

Рис. 5. Зависимость потерь в конденсаторе ог температуры нагнетания:

♦ - Дипс^Х ---- линейный Дкопс^)

Работа дроссельного вентиля оценивалась с помощью отношения степеней сжатия (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость эксергетического КПД процесса дросселирования от степени сжатия:

^ - пп„(Р//Р0); И - ряд 2; — - линейный ппг,(Рк/Р0); — - линейный ряд 2

При уменьшении температуры кипения эксергетический КПД льдогенератора незначительно растет (рис. 7).

70

65

60

55

50

_________________________________________________.____________________________________________40

-14,4 -14,3 -14,2 -14,1 -14 -13,9 -13,8 -13,7 -13,6 -13,5 -13,4

/0, °С

Рис. 7. Зависимость эксергетического КПД льдогенератора от температуры кипения:

- Ерз1ои

Подобные зависимости были получены для всех исследуемых холодильных установок. Характер зависимостей позволил судить о том, насколько эффективно происходит преобразование подведённой электрической энергии к компрессору в энергию потока тепла в испарителе и предложить меры по устранению потерь, выявленных в каждом элементе холодильной установки.

Выводы

1. Получен надёжный метод анализа холодильных установок на основе программирования;

2. Результаты анализа позволяют выявить и устранить недостатки в работе элементов и установки в целом.

3. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Холодильные машины» Астраханского государственного технического университета.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Холодильные машины: учеб. / под. ред. Л. С. Тимофеевского. - СПб.: Политехника, 2006. - 99 с.

2. Галимова Л. В., Камнев А. А., Лазаренко О. О., Гуиди Тоньон К. Моделирование и эксергетический анализ одноступенчатой аммиачной экспериментальной холодильной машины // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008. - № 2 (43). - С. 114-121.

Статья поступила в редакцию 17.02.2010

DEFINITION TECHNIQUE OF REFRIGERATING SYSTEMS EFFICIENCY ON THE BASIS OF PROGRAMMING

L. V. Galimova, Guidi Tonyon Clotilde, А. V. Kostyurin,

Yu. G. Gundareva, Yu. S. Khakhaleva

Objects of the research are a laboratory experimental ammoniac refrigerating installation belonging to the department "Refrigerating machines" of Astrakhan state technical university, an industrial ammoniac refrigerating installation belonging to the warehouse "Astrakhan", an industrial ammoniac refrigerating installation of ice-generator belonging to a port refrigerator of Republic Benin, and a two-level ammoniac refrigerating installation of Astrakhan canning combine. Peculiarities of all objects have been taken into account while developing mathematical models. Techniques of warm and exergy calculations have been put into the basis of the models. The result of the research is a reliable technique of the analysis of the refrigerating installations, allowing to reveal and eliminate shortcomings in the work of some elements and installation as a whole.

Key words: modelling, refrigerating systems, exergy.