Расчет одноступенчатой парокомпрессионной холодильной установки

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт энергетики

Кафедра теплоэнергетики

Расчетно-графическая работа №5

по дисциплине: «Основы трансформации теплоты»

«Расчет одноступенчатой парокомпрессионной холодильной установки»

Выполнил студент группы ПТЭб-17-1 М.А. Трофимова

Проверил доцент кафедры ТЭ Т.В. Коваль

Иркутск 2020



1. Задание

холодильный парокомпрессионный испаритель трансформатор

1. Выбрать схему холодильной установки.

2. Построить цикл одноступенчатой парокомпрессионной холодильной установки.

3. Определить параметры холодильного агента в характерных точках процессов.

4. Определить расчетные тепловые нагрузки испарителя, конденсатора, переохладителя, электрическую мощность компрессора, эксергетический КПД.

5. Определить коэффициенты: холодильный, трансформации теплоты, работоспособности теплоты и холода.

6. Определить поверхности нагрева (ориентировочные) испарителя, конденсатора и пароохладителя; выбрать испаритель, конденсатор и переохладитель.

7. Выбрать и рассчитать компрессор.

Исходные данные:

Холодопроизводительность установки Q₀ =90 кВт;

Холодильный агент - фреон-22;

Число ступеней - 1;

Температура охлаждаемого теплоносителя в испарителе на входе =20°С, на выходе =10°С;

Теплоносители: испаритель - оборотная вода, конденсатор - вода;

Температура охлаждающего теплоносителя в конденсаторе: на входе =10°С, на выходе =35°С;

Температура окружающей среды =293°К (20°С);

Конечные разности температур в испарителе, конденсаторе, переохладителе принимаются в пределах



=Д== 5-10°С (принимаем 5°С);

Внутренний адиабатный и электромеханический КПД компрессора принимаются соответственно равными 0,8 и 0,9.

Построение цикла одноступенчатой парокомпрессионной холодильной установки и определение параметров холодильного агента в характерных точках процессов показано на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема и цикл одноступенчатой парокомпрессионной холодильной установки: а - схема; б - цикл в lgР - h диаграмме

Построение цикла одноступенчатой холодильной установки (рисунок1) проводится в следующей последовательности:

на диаграмму lgР-h наносят изотермы t_о, t_вс, t_по, t_к определяющие расчетный режим работы установки;

по температурам t_о и t_к находят соответствующие им изобары Р_о и Р_к;

положение характерных точек процессов 1, 1', 2, 3', 3, 4 определяется процессами, из которых состоит цикл одноступенчатой холодильной установки (рисунок 1):

4-1' - испарение хладоагента в испарителе И при Р_о и t_о;

1'-1 - перегрев паров хладоагента на всасе компрессора КМ при Р_о;

1-2 - адиабатное сжатие паров хладоагента в компрессоре КМ до давления Р_к;

2-3' - отвод теплоты от хладоагента в конденсаторе К при t_к и Р_к;

3'-3 - переохлаждение жидкого хладоагента в переохладителе ПО до t_по при Р_к;

3-4 - дросселирование жидкого хладоагента до давления Р_о в регулирующем вентиле РВ.

Определяют параметры хладоагента по lgР-h диаграмме в характерных точках процессов и заносят их в таблицу 2.

При построении цикла одноступенчатых холодильных установок, работающих на фреонах, следует учитывать, что

h₃' - h₃ = h₁ - h₁'.

Таблица 1 Параметры хладоагента

Номер точки	Температураt,	Давление P, МПа	Энтропия S, кДж/(кг·К)	Энтальпия h, кДж/кг	Удельный объем v, м3/кг	Степень сухости х
1'	tо=5	P0=0,6	-	h1'=380	-	1
1	tвс=25	P0=0,6	S1=S2=1,75	h1=405	v1=0,04	-
2'	t2'=70	Pк=1,53	S2'=1,8	h2'=442,5	-	-
2	t2=50	Pк=1,53	S1=S2=1,75	h2=430	-	-
3'	tк=40	Pк=1,53	S3'=1,175	h3'=250	-	0
3	tпо=35	Pк=1,53	S3=1,15	h3=h4=244	-	-
4	tо=5	P0=0,6	S4=1,15	h3=h4=244	-	-



Рисунок 2 Цикл одноступенчатой парокомпрессионной холодильной установки в lgP-диаграмме

Для построения цикла определяем расчетные температуры:

испарения t=t_н2=5 ;

конденсации t_к=t_в2+t_к=35+5=40 ;

всасывания t_вс=t+20=5+20=25 ,

принимаем перегрев паров холодильного агента 20 .

Энтальпия паров хладагента на выходе из компрессора с учетом потерь и при отсутствии внешнего охлаждения компрессора:

h_2'= h₁+=380+=442,5 кДж/кг.

Определяем удельные тепловые нагрузки испарителя, конденсатора, переохладителя (регенеративного теплообменника РТ):



q_o=h_1'-h₄=380-244=136 кДж/кг.

q_k=h_2'-h_3'=442,5-250=192,5 кДж/кг.

q_по=h_3'-h₃=250-244=6 кДж/кг

Теплота перегрева паров холодильного агента перед компрессором:

q_вс=h₁-h_1'=405-380=25 кДж/кг

Определяем удельную внутреннюю работу компрессора:

l_в=h_2'-h₁=442,5-405=37,5 кДж/кг.

Составляем тепловой (энергетический) баланс:

l_в+q_o+ q_вс =q_k, или 37,5+136+25=198,5.

Определяем расход холодильного агента:

Объёмная производительность компрессора:

Определяем полные тепловые нагрузки испарителя, конденсатора, переохладителя (регенеративного теплообменника):

Q₀=90 кВт



Q_к=q_кG=192,50,66=127,05 кВт.

Q_по=q_поG=60,66=3,96 кВт.

Определяем холодильный коэффициент установки:

Т_вср= (t_W1+ t_W2)/2+273= (10+35)/2+273=295,5 К

Т_нср=(t₁+t₂)/2+273=(20+10)/2+273=288 К

Коэффициент работоспособности теплоты холодильной установки:

Определяем коэффициент трансформации теплоты:

Коэффициент работоспособности теплоты при средней температуре охлаждающей воды в конденсаторе составит:

Эксергетический КПД установки при работе в режиме:

холодильной установки



теплового насоса (ТНУ)

Определяем электрическую мощность привода компрессора:

Определение поверхностей нагрева (ориентировочных) испарителя, конденсатора, переохладителя и их выбор

Принимаем коэффициенты теплопередачи k_w=700 Вт/(м²К) для всех теплообменников установки.

Температура хладагента в испарителе постоянна ( t₀ ), поэтому температурный напор не зависит от схемы движения теплоносителей (рисунок 3). Принимаем в испарителе схему движения теплоносителей - прямоток.

Рисунок 3 Изменение температур теплоносителя и хладагента при прямотоке в испарителе



Большая разность температур:

==20-5=15 .

Меньшая разность температур:

==10-5=5 .

При средний температурный напор в испарителе рассчитывается по формуле:

Температура хладагента в конденсаторе постоянна ( tк ), поэтому температурный напор не зависит от схемы движения теплоносителей (рисунок 4). Принимаем в конденсаторе схему движения теплоносителей - прямоток.

Рисунок 4 Изменение температур теплоносителя и хладагента при прямотоке в конденсаторе



Большая разность температур:

==40-10=30 .

Меньшая разность температур:

==40-35=5 .

При средний температурный напор в испарителе рассчитывается по формуле:

В переохладителе принимаются параметры теплоносителя (вода) как в конденсаторе , . Принимаем схему движения теплоносителей - противоток (рисунок 5), чем достигается наибольший температурный напор.

Большая разность температур: ==35-10=25 .

Меньшая разность температур: ==40-35=5 .

При средний температурный напор в переохладителе рассчитывается по формуле:



Рисунок 6 Изменение температур теплоносителя и хладагента при противотоке в переохладителе

Определяем поверхность нагрева испарителя:

F_и=

Определяем поверхность нагрева конденсатора:

F_к=

Определяем поверхность нагрева переохладителя:

F_по=

По полученным значениям выбираем горизонтальный конденсатор (k_К1=700 Вт/(м²), испаритель кожухотрубный фреоновый многоходовый (k=500 Вт/(м²)

Выбор и расчёт компрессора

Стандартные данные хладагента компрессора t₀= -15 , t_k= 30 , T_по=25?; t_вс= -10?. Из lgP-h диаграммы для фреона-22: P₀=0,32 МПа, P_k=1,35 Мпа.

Таблица 2 Параметры хладоагента

Номер точки	Температура t,	Давление P, МПа	Энтропия S, кДж/(кг·К)	Энтальпия h, кДж/кг	Удельный объем v, м3/кг	Степень сухости х
1'	tо=-15	P0=0,32	-	h1'=400	-	1
1	tвс=-10	P0=0,32	S1=S2=1,79	h1=405	v1=0,09	-
2'	t2'=70	Pк=1,35	S2'=1,8	h2'=446,25	-	-
2	t2=50	Pк=1,35	S1=S2=1,75	h2=438	-	-
3'	tк=30	Pк=1,35	S3'=1,175	h3'=238	-	0
3	tпо=25	Pк=1,35	S3=1,15	h3=h4=230	-	-
4	tо=-15	P0=0,32	S4=1,15	h3=h4=230	-	-

Построение цикла и определение параметров хладагента.

Цикл одноступенчатой парокомпрессионной холодильной установки на фреоне на стандартные параметры компрессора строится аналогично расчетному.

Удельная холодопроизводительность стандартного цикла

Объёмная холодопроизводительность:

расчётная



Стандартная

Индикаторный коэффициент подачи:

Расчётный

Стандартный

где с=0,05 - коэффициент мертвого пространства,

ДP_н=ДР_вс=0,05 кПа.

Коэффициент невидимых потерь:

Расчётный



Стандартный

Коэффициент подачи:

Расчётный

Стандартный

Стандартная холодопроизводительность

Выбираем фреоновый компрессор одноступенчатого сжатия 2ФВ-19 с холодопроизводительностью Q_0ст .

Вывод

По циклу одноступенчатой парокомпрессионной холодильной установки определили параметры холодильного агента в характерных точка процесса (таблица 1). В данной работе по выбранной схеме парокомпрессионной одноступенчатой холодильной установки выполнили расчет следующих величин: удельная тепловая нагрузка испарителя q_o=136 кДж/кг; удельная тепловая нагрузка конденсатора q_k=192,5 кДж/кг; удельная тепловая нагрузка переохладителя q_по=6 кДж/кг; удельная внутренняя работа компрессора l_в=37,5 кДж/кг; расход холодильного агента G=0,66 кг/с; объёмная производительность компрессора V=0,0264 м³/с; полная тепловая нагрузка испарителя Q₀=90 кВт; полная тепловая нагрузка конденсатора Q_к=127,05 кВт; полная тепловая нагрузка переохладителя Q_по=3,96 кВт; холодильный коэффициент установки е=3,26; коэффициент работоспособности теплоты холодильной установки (ф_q)_в=0,017; коэффициент трансформации теплоты м=4,62; эксергетический КПД установки при работе холодильной установки з_iх=5,54%; эксергетический КПД установки при работе теплового насоса з_втнц=4,05%; электрическая мощность привода компрессора N_э=26,03 кВт; поверхность нагрева испарителя F_и=20 м²; поверхность нагрева конденсатора F_к=9,18 м²; поверхность нагрева переохладителя: F_по=14,5 м²;

2. Самостоятельная работа по дисциплине «Основы трансформации теплоты» 1 вариант

4. Какое назначение имеет трансформатор тепла? Может ли он являться самостоятельным элементом или всегда является неотъемлемой частью теплового насоса?

Назначение:

Трансформаторами тепла называются технические системы, в которых осуществляется отвод энергии в форме тепла от объектов с относительно низкой температурой к приемникам тепла с более высокой температурой. Такое преобразование, называемое в технике повышением потенциала тепла. Для повышения потенциала тепла необходима затрата внешней энергии того или иного вида: электрической, механической, химической, кинетической энергии потока газа или пара и др.

Следует отметить, что трансформатор тепла (компрессор или термохимический генератор) является необходимым элементом каждой холодильной установки или теплового насоса. Его назначением, как известно, является повышение потенциала (давления и температуры) холодильного агента. Между трансформаторами тепла, применяющимися в холодильных установках и тепловых насосах, а также используемых для повышения давления отработавшего пара, нет разницы в принципах работы.

10. Объясните принцип работы термохимического трансформатора и ответьте на следующие вопросы. Какой раствор в качестве рабочего вещества следует применять в абсорбере: с высокой или низкой температурной депрессией? Растворение и поглощение водяных паров в абсорбере сопровождается выделением или поглощением тепла? Может ли установка непрерывно работать без испарителя? В каком аппарате - испарителе, абсорбере или генераторе - более высокая температура и в каком наибольшая концентрация раствора?

Принцип работы - последовательное осуществление термохимических реакций смешения (сорбции) и разделения (десорбции) двух или нескольких рабочих компонентов: компонент - легкокипящая фракция (рабочий агент); компонент - более тяжелая фракция (абсорбент). Используются только такие рабочие агенты, к которым подобраны свои абсорбенты. Термохимический компрессор (ТХК) состоит из абсорбера (в нем осуществляется процесс смешения) и генератора (процесс разделения).Схемы работы: повысительная; расщипительная. В первом случае трансформация тепла идет от среды с температурой Т_Н до температуры Т_С. Для этого используется внешний источник, температура которого равна Т_В.

Во второй схеме к установке подводится рабочий поток теплоносителя с температурой Т_С, который разделяется на два потока: один поток повышает свою температуру до Т_В, а второй - понижает до Т_Н.

Применяемые хладагенты:

N	Рабочий агент	Абсорбент	Область применения
1	Аммиак	Вода	ХЛУ, ТНУ
2	Вода	LiBr	ХЛУ
3	Вода	NaOH, KOH, CaCl2	ТНУ



Главное требование при подборе рабочих компонентов: максимальная разность температур нормального кипения сорбента и рабочего агента для более легкого разделения смеси.

Рисунок 1 Схема идеального абсорбционного термотрансформатора (ХЛУ): Г - генератор; А - абсорбер; Н - насос для раствора; РТ - регенеративный теплообменник; Д - детандер; А - абсорбент; Р.А - рабочий агент

В идеальной схеме приводом насоса служат две турбины (детандеры).

В абсорбер А идет два потока: абсорбент из генератора (через РТ и Д1) и рабочий агент из испарителя И. В результате смешения - экзотермическая реакция, тепло которой отводится к источнику с температурой Т_С (обычно окружающая среда). Смесь перекачивается насосом Н через РТ в генератор для разделения (выпаривания). Для этого в Г подводится внешнее тепло Q_B при температуре Т_В > Т_С. В результате разделения рабочий агент в виде пара идет в конденсатор, в котором происходит отвод тепла Q_K к источнику Т_С, а затем через Д2 идет в испаритель. В испарителе тепло Q_H отводится от НИТ к рабочему агенту при температуре Т_Н.

Тепловой баланс:



Q_H + Q_B = Q_A + Q_K

Если потерь нет, то эксергетический баланс:

E_H + E_B = E_A + E_K

Q_H•t_H + Q_B•t_B = (Q_H + Q_B)•t_C,

где t_i - коэффициент работоспособности.

Удельные затраты энергии на производство холода:

Рисунок 2 Схема идеальной абсорбционной теплонасосной установки (расщепительная схема)

Какой раствор в качестве рабочего вещества следует применять в абсорбере: с высокой или низкой температурной депрессией?

Раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель (t_в.п). Например, для раствора поваренной соли NaCI по мере повышения концентрации температура кипения повышается до тех пор, пока раствор не достигнет предельной концентрации 26 %. При такой концентрации и атмосферном давлении раствор закипит при температуре =107,5 ?, а выделяющиеся пары растворителя будут иметь температуру =100?. Следовательно, нужно использовать высокую температуру депрессией.

Растворение и поглощение водяных паров в абсорбере сопровождается выделением или поглощением тепла?

Поглощение тепла в водяном паре и прозрачность атмосферы. Она протекает с поглощением тепла и поэтому требуется непрерывный подогрев контактного аппарата. Первая реакция идет с поглощением тепла; поэтому с повышением температуры равновесие этой реакции сдвигается в сторону образования метана и углекислоты. Давление не оказывает на эту реакцию влияния, так как она протекает без изменения объема. Уже сейчас идет повышение поглощения тепла Землей на 1%.

Может ли установка непрерывно работать без испарителя?

Отработанная смесь через Д и РТ направляется в испаритель для разделения. Отделение рабочего агента от абсорбента осуществляется за счет тепла потока пара средних параметров. Следовательно, испаритель служит катализатором и разделителем компонентов - работать непрерывно не может.

В каком аппарате - испарителе, абсорбере или генераторе - более высокая температура и в каком наибольшая концентрация раствора?

Генератор служит для нагрева смеси хладагента и теплоносителя. Влага испаряется из раствора, концентрация бромида лития увеличивается - более высокая температура

Испаритель - служит для отвода и выброса тепла и тех химических элементах, которая являются излишними для процесса переработки чего-либо. Следовательно, через испаритель проходит вся химическая смесь и концентрируется наибольшее количество раствора.

11. Какой условный коэффициент инжекции имеет термохимический трансформатор при работе по расщепительной и повысительной схемам и какая из этих схем имеет большие перспективы для практического применения?

В установках, работающих по повысительной схеме, подведённое низкопотенциальное тепло преобразуется в высокопотенциальное; по этой схеме работает большинство холодильных, теплонасосных и комбинированных установок. При давлении инжектируемой среды, равном или большем, чем давление в выходном сечении рабочего сопла, условно принимаем, что струя рабочего пара сохраняет сечение, равное выходному сечению рабочего сопла, вплоть до сечения конфузорной части камеры смешения, в которой эжектируемый поток достигает критической скорости.

По расщепительной схеме работают струйные вихревые установки и некоторые типы компрессионных и абсорбционных установок. При давлении инжектируемой среды меньшем, чем давление в выходном сечении рабочего сопла, струя рабочего пара продолжает расширяться за пределами, увеличивая свое сечение. Условно принимаем, что это сечение рабочего потока, не изменяется вплоть до сечения конфузорной части камеры смешения, в которой эжектируемый поток достигает критической скорости.

Практическое применение находит повысительная схема, так как она использует два типа давление - средний (равный) и больший. Средний может подходит даже если давление инжектируемой среды меньше, чем давление в выходном сечении рабочего сопла. Также она проще в применение, чем при меньшем давлении.

Размещено на Allbest.ru