7987
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Л.М. Дыскин, М.С. Морозов
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПРЕССОРОВ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОВ
Учебно-методическое пособие по подготовке к практическим занятиям
(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Основы трансформации теплоты» для обучающихся по направлению подготовки
13.03.01. Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Промышленная теплоэнергетика
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Л.М. Дыскин, М.С. Морозов
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПРЕССОРОВ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОВ
Учебно-методическое пособие по подготовке к практическим занятиям
(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Основы трансформации теплоты» для обучающихся по направлению подготовки
13.03.01. Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Промышленная теплоэнергетика
Нижний Новгород
2016
УДК 621.5
Дыскин Л.М. Энергетические характеристики компрессоров термотрансформаторов [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 36 с. – 1 электрон. опт. диск (CDRW)
Ключевые слова: трансформация теплоты, охлаждение, тепловые устройства, теплообмен, эксергия, тепловые насосы, компрессоры.
Рассмотрены вопросы, связанные с расчетом трансформаторов тепла (тепловых насосов, холодильных и криогенных установок) и определением их эффективности. Приведены примеры расчетов парожидкостных компрессионных трансформаторов тепла и энергетических характеристик нагнетательных и расширительных машин трансформаторов тепла.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Основы трансформации теплоты» по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Промышленная теплоэнергетика.
© Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2016 © ННГАСУ, 2016
3
1.ПАРОЖИДКОСТНЫЕ КОМПРЕССИОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТЕПЛА (ХОЛОДИЛЬНЫЕ И ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ)
ПРИМЕРЫ
Пример 1.1. Определить тепловую нагрузку переохладителя аммиачной компрессионной холодильной установки для следующих условий: расчетная холодопроизводительность Q0 = 116,3 кВт; температура испарения t0 = −10 оС;
температура конденсации tк = −40 оС; хладагент охлаждается относительно температуры конденсации на ∆tп = 30 оС.
Решение. По T-s диаграмме для аммиака определяем его температуру и энтальпию после переохладителя
tп tк tп 40 30 10 оС; hп 467 кДж/кг.
Удельная нагрузка охладителя
qп hк hп 612 467 145 кДж/кг.
Удельная холодопроизводительность установки
q0 h1 hп 1670 467 1203 кДж/кг.
Массовый расход хладагента
G Q0 116,3 0,096 кг/c. q0 1203
Тепловая нагрузка охладителя
Qп qпG 145 0,096 14 кДж/с.
Пример 1.2. Определить удельный расход электроэнергии на выработку холода, холодильный коэффициент и эксергетический КПД для установки холо-
допроизводительностью Qо = 2,93 кДж/с. Холод производится при tн = −40 оС;
мощность идеального компрессора Nв = 1,5 кВт. Внутренний адиабатный и элек-
тромеханический КПД компрессора соответственно равны: ηi = 0,8; ηэм = 0,85.
Решение. Удельный расход электроэнергии
э |
х |
|
|
lв |
|
|
|
Nв |
|
|
1,5 |
0,753. |
|||
η |
|
q |
η |
|
|
0,8 0,85 2,93 |
|||||||||
|
|
η |
эм |
|
η |
эм |
Q |
|
|||||||
|
|
|
i |
|
0 |
|
i |
|
|
0 |
|
|
|
4
Холодильный коэффициент установки
ε |
ηiηэмq0 |
|
1 |
|
1 |
1,33. |
lв |
|
0,753 |
||||
|
|
эх |
|
Удельный расход электроэнергии в идеальном цикле
эн Tо.с. 1 293 1 0,26. Tн 233
Эксергетический КПД установки
ηe энε эн 0,26 0,346. эх 0,753
Пример 1.3. Рассчитать схему аммиачной одноступенчатой компресси-
онной холодильной установки для следующих условий: холодопроизводитель-
ность Q0 = 17,45 кВт; температура хладоносителя на входе в испаритель tн1 = −15 оС, температура на выходе из испарителя tн2 = −22 оС; температура ох-
лаждающей воды на входе в конденсатор tв2 = +20 оС, на выходе из конденса-
тора tв1 = 25 оС. Установка работает без охладителя. Схема установки приведена на рис. 1.1.
В результате расчета необходимо определить параметры в характерных точках схемы, тепловые нагрузки аппаратов, мощность компрессора, холодиль-
ный коэффициент и эксергетический КПД установки.
Решение. Задаваясь минимальной разностью температур в испарителе
∆tи = tн2 – t0 = 3 оС, определяем расчетную температуру испарения (рис. 1.2)
t0 tн2 tи 22 3 23 оС.
Принимая минимальную разность температур в конденсаторе ∆tк = tк – tв1 = = 5 оС, определяем расчетную температуру конденсации
tк tв1 tк 25 5 30 оС.
По T-s диаграмме или термодинамическим таблицам аммиака находим параметры рабочего агента в следующих характерных точках схемы:
1.t1 = t0 = −25 оС; p1 = 0,5 МПа; h1 = 1652 кДж/кг; v1 = 0,78 м3/кг;
2.p2 = 1,2 МПа; t2 = 126 оС; h2 = 1960 кДж/кг;
5
3.t3 = 30 оС; p3 = 1,2 МПа; h3 = 562 кДж/кг;
4.t4 = −25 оС; p4 = 0,15 МПа; h4 = 562 кДж/кг.
Удельная тепловая нагрузка испарителя
q0 h1 h4 1652 562 1090 кДж/кг.
Рис. 1.1. Схема парожидкостной компрессионной холодильной установки и процесс в T-s диаграмме
Рис. 1.2. Графики изменения температур потоков: а) – в испарителе; б) – в конденсаторе
6
Массовый расход аммиака
G 17,45 0,016 кг/с (57,7 кг/ч). 1090
Принимая электромеханический и внутренний КПД компрессора соот-
ветственно ηэм = 0,9 и ηi = 0,8, определяем энтальпию рабочего агента на выхо-
де из компрессора
h |
h |
|
lа |
h |
|
h2 h |
1652 |
1960 1652 |
2040 кДж/кг. |
ηi |
ηi |
|
|||||||
2 |
1 |
|
1 |
|
0,8 |
|
Удельная внутренняя работа компрессора
lв h2 h1 2040 1652 388 кДж/кг.
Удельная тепловая нагрузка конденсатора
qк h2 h3 2040 562 1478 кДж/кг.
Проверка сходимости энергетического баланса установки
q lв q0 qк 388 1090 1478 кДж/кг.
Объемная производительность компрессора
V0 Gv1 57,7 0,78 45 м3/ч= 0,0125 м3/с.
Тепловая нагрузка конденсатора
Qк 0,016 1478 23,7 кДж/с.
Удельная работа компрессора
lк lв 388 432 кДж/кг. ηэм 0,9
Удельный расход электроэнергии на единицу выработанного холода
э |
|
|
lк |
|
lа |
|
|
432 |
0,3955. |
к |
qо |
ηiηэмqо |
|
||||||
|
|
|
|
1090 |
Электрическая мощность компрессора
Nэ lкG 432 0,016 6,92 кВт ≈ 7 кВт.
Холодильный коэффициент
ε q0 1 1090 2,53. lк эх 432
7
Для определения коэффициента работоспособности холода определяем среднюю температуру хладоносителя
T |
|
Tн1 Tн2 |
|
258 251 |
|
7 |
|
7 |
254 К. |
||||
|
|
|
|
||||||||||
н.ср. |
|
ln |
Tн1 |
|
|
ln |
258 |
|
|
ln1,027 |
|
0,0271 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Tн2 |
251 |
|
|
|
|
|
Коэффициент работоспособности холода
τq |
|
1 |
Tо.с. |
1 |
293 |
0,153. |
|
Tн.ср |
|
||||
|
н |
|
254 |
|
||
|
|
|
|
|
|
Так как эн τq н , то удельный расход электроэнергии в идеальном
цикле равняется 0,153.
Коэффициент полезного действия холодильной установки с учетом по-
терь эксергии в испарителе по хладоносителю (здесь и далее знак «минус» при
τq не учитывается)
ηе |
q0 |
τq |
Q0 |
τq |
1090 0,153 |
|||
|
н |
|
|
н |
|
|
0,387 (≈ 39 %). |
|
|
|
|
|
432 |
||||
|
|
lк |
|
Nэ |
|
Коэффициент полезного действия холодильной установки без учета по-
терь эксергии в испарителе по хладагенту
|
|
|
|
ηе |
q0 τq |
1090 0,182 |
||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
0,46 (≈ 46 %), |
||
|
|
|
|
|
|
432 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
lк |
|
||
где τq |
|
1 |
Tо.с. |
1 |
293 |
0,182. |
||||
|
T0 |
|
||||||||
|
0 |
|
248 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример 1.4. Рассчитать схему аммиачной одноступенчатой холодильной установки с охладителем хладагента (рис. 1.3): холодопроизводительность
Qо = 60000 ккал/ч = 69,75 кВт; температура хладоносителя на входе в испари-
тель tн1 = −8 оС и на выходе из него tн2 = −15 оС; температура охлаждающей во-
ды на входе в конденсатор tв2 = +20 оС и на выходе из него tв1 = 25 оС. Конечная минимальная разность температур в конденсаторе ∆tк = 5 оС и в испарителе
∆tи = 3 оС. В охладитель хладагента подается артезианская вода в количестве
Gв = 0,5 т/ч = 0,139 кг/с с температурой ∆tпо = 4 оС. По параметрам в характер-
8
ных точках, полученных в результате расчета схемы, составить эксергетиче-
ский баланс установки, определить потери эксергии в отдельных элементах ус-
тановки и КПД.
Решение. Расчетная температура испарения аммиака
t0 tн2 tи 15 3 18 оС.
Рис. 1.3. Схема парожидкостной компрессионной холодильной установки с переохладителем и процесс в T-s диаграмме
Расчетная температура конденсации
tк tв1 tк 25 5 30 оС.
Параметры в характерных точках 1, 2, 3:
точка 1: t1 = −18 оС; p1 = 0,2 МПа; h1 = 1662 кДж/кг; v1 = 0,6 м3/кг; точка 2: p2 = 1,2 МПа; h2 = 1925 кДж/кг; t2 = 110 оС;
точка 3: t3 = 30 оС; p3 = 1,2 МПа; h3 = 561 кДж/кг.
Теплота парообразования аммиака при t0 = −18 оС:
r h1 h5' 1662 335 1327 кДж/кг.
Предварительное определение расхода хладагента
|
|
|
9 |
|
|
G |
Q0 |
|
69,75 |
0,062 кг/с, |
|
r |
0,85 1327 |
||||
|
|
|
где φ = 0,8…0,9 – коэффициент фазности хладагента, учитывающий долю жид-
кого хладагента после дросселя при дросселировании.
|
Определяем |
характер теплообмена в охладителе. При Wв |
||
G cв |
GcNH3 |
W |
характер теплообмена соответствует графику изменения |
|
в |
p |
p |
NH3 |
температур, представленному на рис. 1.4 а, а при Wв Gвcвp GcpNH3 WNH3
графику на рис. 1.4 б.
Тепловой эквивалент по воде
Wв Gвcвp 0,139 4,19 0,583 кДж/(с·К).
Тепловой эквивалент по хладагенту
WNH3 GcpNH3 0,062 4,82 0,298 кДж/(с·К),
где
cpNH3 |
h |
|
48,2 |
4,82 кДж/(кг·К). |
t20 10 |
|
|||
|
10 |
|
Так как в данном случае характер теплообмена соответствует рис. 1.4 а,
то значение температуры в точке 4:
t4 tпо2 tпо 6 4 10 оС.
Параметры в остальных характерных точках схемы:
точка 4: t4 = 10 оС; p4 = 1,2 МПа; h4 = 468 кДж/кг; точка 5: t5 = −18 оС; p5 = 0,2 МПа; h5 = 468 кДж/кг.
Удельная нагрузка испарителя
q0 h1 h5 1662 468 1194 кДж/кг.
Массовый расход хладагента
G 69,75 0,0585 кг/с. 1194
Энтальпия рабочего агента на выходе из компрессора при внутреннем адиабатном КПД ηi = 0,8