Міністерствоосвіти і науки України
СумськийДержавний Університет
Кафедра прикладної гідроаеромеханіки
КУРСОВА РОБОТА
натему:
«Визначенняенергоефективності енергоспоживаючих систем»
Суми 2009
Зміст
1. Розрахунок та визначенняенергоефективності насосної системи
1.1 Завдання та вихідні дані
1.2 Розрахунок насосної системи
1.3 Вибір насосу та привідногоелектродвигуна
1.4 Розрахунок енергоефективності тарозробка рекомендацій щодо її підвищення
1.5 Висновки
2. Розрахунок та визначенняенергоефективності системи вентиляції
2.1 Завдання та вихідні дані
2.2 Розрахунок системи вентиляції
2.3 Вибір вентилятора та електродвигуна
2.4 Розрахунок енергоефективності тарозробка рекомендацій щодо її підвищення
2.5 Висновки
3. Список використаних джерел
1 РОЗРАХУНОКТА ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ НАСОСНОЇ СИСТЕМИ
1.1 Завдання тавихідні данні
Зробити розрахуноктрубопровідної мережі ( Рис.1) і підібрати насосний агрегат 1 для подачі рідинив виробничих умовах з резервуару 2 в бак 8, розташований на висоті Нг/> над віссю насоса.Величини абсолютних тисків на вільних поверхнях рідини резервуара і бака рівнівідповідно РР та РБ. На всмоктуючій лінії — дисковазасувка 4 і зворотний клапан 7. У системі можлива установка витратомірної шайби(діафрагми) 5, або охолоджувача 6.
/>
Рисунок 1 – Схематрубопроводної мережі.
Величину витрати Q (м3/с), висоту Нг(м) підйому рідини і довжини L2 (м) нагнітальноготрубопроводу слід прийняти
/>; НГ=30(0,2+0,01n); L2=10+0.3n,
де n =36 — число з двох останніх цифрномера залікової книжки студента.
/>м3/с;
/>
Діаметри труб вмежах всмоктуючої і нагнітальної ділянок вважати постійними, кути відведеньприйняти рівними 900. Довжину всмоктуючої ділянки трубопроводувважати рівною 0,2 L2=/>.
Таблиця 1 — Вихідні данні Величина Одиниці вимірювання Значення Рідина
- Вода
Температура рідини, tж
0C 60
Тиск: в баці РБ
в резервуарі РР МПа
0,14
0,08
Висоти: hг
hб
hp м
1,4
0,7
1,3
Кути /> колін град 25, 50 Відношення відводів R/d - 2 Ступінь відкриття засувки h/d - 0,5
Відношення площ діафрагми s0/s - 0,8 Коефіцієнт опору охолоджувача - 3 Матеріал та стан труб - Стальні заржавілі Призначення трубопроводів - Для рідких хімічних продуктів
1.2 Розрахунокнасосної системи
Проаналізувавшизадану схему, виділяємо дві характерні ділянки мережі, т.б. і=2.
З табл.Б.3обираємо допустимі значення Vi=(3,0…5,0) величини швидкостей в технічних трубопроводах тазаздалегідь визначаємо діаметри di труб для ділянок системи:
/>,
де і – номер ділянки;
/> — витрата рідини навідповідній ділянці, м3/с ;
/>.
/> — діаметр трубопроводу на першійділянці;
/> — діаметр трубопроводу на другійділянці.
Отриманнірозрахунковим шляхом величини d1 та d2 внутрішніх діаметрів трубопроводів округлюємо до ближніх стандартних значень, т.б.d1 = 50мм та d2 = 40мм. Таким чином уточнюємо величини істинних швидкостейтечії рідини в трубах:
/>
/> — швидкість течії рідини в трубіпершої ділянки;
/> — швидкість течії рідини в трубідругої ділянки.
Сумарні втрати навсіх ділянках системи визначають з обліком режиму руху рідини, матеріалів істани поверхонь труб, характеру місцевих опорів.
Втрати напору наокремих ділянках при русі рідини по трубах
/>,
де hi – втрати напору, м;
к — номермісцевого опору;
m – загальна на і-й ділянцікількість місцевих опорів, коефіцієнти котрих />;
g = 9,81 м/с2 – прискореннявільного падіння.
Коефіцієнти /> втрат на тертя можнавизначати по графіках ВТІ. Для цього необхідно знайти значення числа Рейнольдата шорсткість труб. Також, значення кінематичних коефіцієнтів в'язкостівибираємо по довідниках, (/>).
/>
/> — число Рейнольда для потоку на 1йділянці;
/> — число Рейнольда для потоку на 2йділянці.
З табл.Б.4 визначаємозначення абсолютної шорсткості для двох труб/>
/>; />.
Таким чином зграфіків ВТІ визначаємо коефіцієнти втрати на тертя на першій та другійділянках відповідно />.
Вибіркоефіцієнтів /> місцевих опорів робимо зтабл.Б.6.
Втрати напору навсмоктуючій (і=1) ділянці будуть відбуватись по довжині трубопроводу L1 та у місцевих опорах:
- ξвс=10,8-опір клапану з захисноюсіткою на всмоктуючому трубопроводі ;
- ξкол(α)=0,16 – опір коліна α=25°;
/>.
На нагнітаючійділянці (і=2) втрати напору будуть відбуватись по довжині трубопроводу L2 та на місцевих опорах:
- опір у засувці />
- опір у діафрагмі при s0/s=0,8 />=0,45;
- опір у клапані d=50мм />
- опір в охолоджувачі />
- опір при вході у бак />
- опір коліна />;
- опір відводів ξвідв=0,20.
/>.
Визначимосумарний опір обох ділянок трубопроводу:
h = />;
h = 8,24 + 62,70 = 70,94 м.
Необхідний напірН насосу:
/>,
де Н0– різниця рівнів вільних поверхонь рідини в баці та резервуарі, м;
γ – питома вага рідини, Н/м3
РБ таРР – тиск в баці та резервуарі, Н/м2.
H0= hг — hр +hб+Hг;
H0= 1,4-1,3+0,7+14,4=15,2 м;
/>
1.3 Вибірнасосу та приводного двигуна
Таблиця 2 –Параметри мережі при різних значеннях Q.Q, м/с
V1,
м/с
V2,
м/с
Re1
Re2
λ1,
λ2,
h1,
м
h2,
м Q, м/год
H,
М 0,017 0,85 1,33 77243 96554 0,039 0,042 0,51 3,91 6 25,8 0,0033 1,70 2,66 154487 193109 0,039 0,042 2,05 15,65 12 39 0,0050 2,55 3,98 231731 289664 0,039 0,042 4,61 35,22 18 61,2 0,0067 3,40 5,31 308975 386218 0,039 0,042 8,20 62,61 24 92,2 0,0083 4,25 6,64 386218 482773 0,039 0,042 12,8 97,82 30 132
За данимикаталогів підбираємо насос та приводний електричний двигун, які б працювали уномінальному діапазоні відповідно до розрахованих величин.
За параметрами Q=24м/год, Н=92,2м підбираємо насоснийагрегат
Wilo-Multivert MVI-3206 Version PN16, який може забезпечити максимальнуподачу Q=42м/год, та напір Н=115м, здвигуном номінальною потужністю P=11 кВт [2].
Будуємо графікнапірних характеристик мережі та насосу для визначення оптимальних зон роботинасосу в дану мережу, з якого робимо висновки щодо енергоефективності тапідраховуємо втрати.
1.4 Розрахунокенергоефективності та розробка рекомендацій щодо її підвищення
1.4.1 Втратипотужності, пов’язані з використаннямприйнятого насосу, при його регулюванні засувкою при напірному трубопроводі,кВт:
/>,
де /> — різниця між напором, щорозвивається насосом та потрібним напором, м;
Q – потрібна подача насосу, м3/с;
/> - густина води при 600С,кг/ м3 [3].
/>
1.4.2 Втратипотужності, виражені в грошовому еквіваленті:
/>,
де Т –розрахунковий час роботи насосу, ,(Т= 3000 год);
С – вартість 1кВтелектроенергії (С=0,70грн).
/>
1.4.3 Визначеннякількості енергії, що втрачається внаслідок роботи насосного агрегату на нерозрахунковомурежимі (режимі з неоптимальним ККД) в грошовому еквіваленті проводиться заформулою:
/>,
де /> - оптимальний ККД насосу;
/> - ККД, з яким працює насос вмережі.
/>
Сумарні втрати:
/>.
1.4.4 Частотаобертання валу насосу, що забезпечить потрібний напір, при застосуваннічастотного способу регулювання:
/>.
/>.
1.4.5 Введемо та розрахуємокоефіцієнт втрат електроенергії:
/>
/>
— кількість електроенергії, у грошовомуеквіваленті, яку спожив насосний агрегат за розрахунковий період.
/>.
Втратиелектроенергії складають 6%. Порівняно невеликі, але все одно актуальне питаннящодо підвищення енергоефективності насосної системи.
Можливим шляхомвирішення даної задачі можуть бути наступні дії:
· Поліпшенняконструкції системи шляхом збільшення діаметрів трубопроводів з метою зниженняїх гідравлічного опору;
· Поможливості, максимально зменшити кількість місцевих опорів;
· Вдосконаленняспособів регулювання роботи насоса;
· Призавищеній продуктивності насосної системи, необхідно змінити передавальнечисло ремінної, або іншої передачі;
· Зменшеннякавітації.
1.5. ВИСНОВКИ
Проведенорозрахунок трубопровідної мережі, на задані параметри.
По результатамрозрахунку побудовано графічну характеристику мережі, у відповідності до якої бувпідібрано відцентровий насосний агрегат марки Wilo-Multivert MVI-3206 Version PN16, який забезпечить максимальнуподачу Q=42м/год, та напір Н=115м, здвигуном номінальною потужністю P=11 кВт [2].
Насосний агрегат відповідаєумовам розрахунків та оптимально працює у «робочій точці» системи.
Для даногонасосного агрегату розраховано його енергоефективність. Виявилось, що прирегулюванні напору насосу засувкою сумарні втрати складають 1419 грн. за розрахунковийперіод експлуатації насосного агрегату. Вартість частотного регулятору набагатобільша, а тому, спосіб регулювання напору засувкою є доцільнішим.
2 РОЗРАХУНОК ТА ВИЗНАЧЕННЯЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМИ ВЕНТИЛЯЦІЇ
2.1 Завдання тавихідні дані
Необхідновиконати розрахунок повітропроводів, підібрати вентилятор і електродвигун дляпромислової вентиляційної системи, схема якої приведена на Рис. 2.
/>
Рис.2 — Схема мережі повітропроводу.
Таблиця 1 — Вихідні даніВеличина Одиниці вимірювання Значення Температура повітря, що перекачується °С 15 Відносна вологість повітря % 60
Значення кута α:
α1 трійника В
α2 трійника С
α3 трійника D град
45
60
35
Коліно Е (значенне кута β1) 120
Відвід F (значенне кута β2) 120 Відношення R/d 7 Стан поверхні труб забруднені металеві
2.2 Розрахуноксистеми вентиляції
Витрата повітря Qi и Li довжини вказаних на схемі ділянокповітропроводів приймаються:
/> Li=(1+i)·L0 (м),
де />=0,05·(1+0,3n); L0=10·(1+0,2n).
Тут n = 28, i=1…4– номери ділянокданої схеми. Підставив значення в рівняння (1), отримаємо:
Q0 = 0,05·(1+0,3·28)=0,47 м3/с; L0 =10·(1+0,2·28)=66 м.
Q1 = 1·0,47=0,47 м3/с L1 = (1+1)·66 = 132 м;
Q2 = 2·0,47=0,94 м3/с L2 = (1+2)·66 = 198 м;
Q3 = 3·0,47=1,41 м3/с L3 = (1+3)·66 = 264 м;
Q4 = 4·0,47=1,88 м3/с L4 = (1+4)·66 = 330 м.
Повітропроводамипо всій мережі вважаємо круглі стальні труби, місцеві опори – трійники вузлів В, С і D, а такожколіна Е и F.
2. В якості магістралівибираємо найбільш протяжну ділянку мережі, інші ділянки вважаємовідгалуженнями. Для приведеної на рис.2 схеми магістраллю можна вважати ділянкуABCDEF, ділянки BK, CP, DS – відгалуженнями.
3. Розрахунок ведеться по нормальнимумовам повітря при абсолютному тиску ра= 0,102 МПа (В0=760 мм рт. ст.),температурі t0= 20 °С (T0= 293 К) і відносній вологості φ0= 50%.
При цих параметрахгустина повітря ρ0= 1,197 кг·м-3, питома вага γ0= 11,77 Н·м-3 та газова стала R0= 29,3 м·°С-1.
4. Загальна кількість необхідногоповітря знаходиться за формулою:
Q = />,
де i – номери ділянок відгалужень повітровода.
Q = Q1 +Q2 +Q3 +Q4 = 0,47+0,94 +1,41+1,88 = 4,7 м3/с.
Розбиваємо схемумережі на ділянки з характерними витратами Qк.
Номери к присвоємо ділянкам в наступномупорядку:
к=1 (участок АВ), к=2(ВС), к=3 (СD), к=4 (DEFG), к=5 (ВК), к=6 (СР), к=7 (DS).
5. Виходячи з величин витрати Qк повітря по ділянкам і значень υк допустимих швидкостей руху газу в трубах,діаметри dк повітроводів:
/>,
де к = 1…7 для даної схеми.
Величини допустимих швидкостей руху газу в трубах треба приймати виходячи з призначення йумов експлуатації вентиляційної установки. Зазвичай ці значення лежать в υк = 5 – 25 м·с-1 .
В даному розрахунку для ділянокмагістралі (к = 1…4) можна вважати
υк = 12 м·с-1, а для відгалужень (к = 5…7) υк = 6 м·с-1.
Розрахунковізначення діаметрів повітроводів округляємо до найближчих стандартних Таблиця Б.3.
/>
d2 = />
d3 = />
d4 = />
d5 = />
d6 = />
d7 = />
Так як, прийнятідіаметри труби відрізняються від розрахункових, то необхідно уточнити істинні значенняшвидкостей газу в трубах.
/>
/> />
/> />
/> />
/>
Всі розрахованізначення заносимо до таблиці 2.
Таблиця 2 – Розраховані параметри
Значен-
ня к Ділянка
Витрата газу на ділянці Qк,
м3/с
Діаметр труби />, м
Істине значення швидкості руху газу
υк, м·с-1 розрахований прийнятий
1
2
3
4
5
6
7
AB
BC
CD
DEFG
BK
CP
DS
4,7
4,23
3,29
11,83
5,67
5,91
1,41
0,710
0,670
0,560
0,447
0,320
0,447
0,547
0,710
0,710
0,560
0,450
0,325
0,450
0,560
11,88
10,69
13,36
11,83
5,67
5,91
5,73
6. Динамічний напор РД газу на виході з магістралі (в точці G) находять по формулі:
/>.
Вважаючи довжиниділянок BK, CP, DS відгалужень значно меншими запротяжність магістралі, втрати напору по довжині повітроводу будутьдорівнювати:
/> (1)
Коефіціент/> втрат на тертя:
/> (2)
де /> – число Рейнольдса, /> – абсолютна еквівалентна шорсткість поверхні повітровода із листовоїсталі, яка для забрудненихметалічних труб дорівнює 1·10-4 м (див. табл. Б.4); q –поправочний коефіцієнт втрат тиску на тертя з />> 0,1 мм (при швидкості υ = 12 м·с-1 для значень />= 0,1-1 мм величини q=1-1,6, причому більшій шорсткості відповідає більше значення коефіцієнта q). Кінематичний коефіцієнт в’язкості повітря ν = 1,5·10-5 м2/с.
Підставивши всі значения в рівняння (1) і (2) отримаємо:
/>
/>
/>
/>
/> />
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>235,56+288+795,7+1031,92= 2351,18 Па.
Отриманірезультати зводимо до таблиці 3.
Таблиця 3 – Розрахунок втрат тиску на тертяЗначення i Ділянка
Діаметр
/>, м
Довжина
Li, м
Швидкість
υi, м·с-1
Коефіці-
єнт />
Втрати тиску
Рi, Н·м-2 1 AB 0,71 132 11,88 0,0150 235,56 2 BC 0,71 198 10,69 0,0151 288 3 CD 0,56 264 13,36 0,0158 795,7 4 DEFG 0,45 330 11,83 0,0168 1031,92 На магістралі
/>=2351,18
З врахуваннямхарактеру місцевих опорів тиску газу втрати тиску РМ будуть дорівнювати:
/>, (4)
де m, ξm – номер і коефіцієнтмісцевого опору;
j – кількість місцевих опоріву мережі.
Знайдемо значеннякоефіцієнтів місцевих опорів (див. дод. В.1-В.3 [1]):
— трійник В при α =450/>
— трійник С, α =600/>
— трійник D, α =350/>
— коліно E, при β1=1200/>
— відвід F,R/d=7 />
Підставимозначення у рівняння (4), отримаємо значення втрат тиску газу на місцевих опорах:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Таблиця 4 — Розрахунок втрат тиску намісцевих опорах
Значення
m Вид місцевого опору
Коефіцієнт
ξm
Втрати тиску
Pm, Н·м-2 1 Трійник B 0,6 50,68 2 Трійник C 1,3 88,91 3 Трійник D 0,42 44,87 4 Коліно E 0,72 60,31 5 Відвод F 0,07 5,86 На магістралі
/>= 250,63
7. Необхідний напір вентилятора зврахуванням динамічного напору і втрат тиску по магістралі дорівнює:
Р = РД + РДА+ РМ = 83,76+2351,18+250,63= 2685,57 Па.
8. З врахуванням можливих (неуточненихрозрахунком) втрат тиску в системі, вводять гарантійні запаси в робочихпараметрах вентилятора. Оскільки данні каталогів (таблиці і графіки) частішевсього відносяться до нормальних умов, то вибір по каталогу вентиляторівзагального призначення
варто вести навитрату
Qк = 1,05∙Q = 1,05∙4,7= 4,94 м3/с (17784 м3/год), і тиск Рк= 1,1∙∆ Р,
де ∆ – поправочний коефіціент, який враховує відхилення густини повітря при заданихтемпературі, тиску і вологості від густини повітря за нормальних умов. Поправочнийкоефіціент:
/>,
де ρ0, P0, t0, R0– параметри повітря, що відповідаютьнормальним атмосферним умовам, а ρ, P, t, R – параметри фактичних умов.
/>.
Рк = 1,1∙0,98∙2685,57 = 2895 Па.
2.3 Вибір вентилятора та електродвигуна
Заотриманими параметрами Qк= 4,94 м3/с (17784 м3/год), Рк=2895 Па з каталогу вентиляторів середньоготиску вибираємо вентилятор з наступними параметрами:Типорозмір Електродвигун Частота обертання робочого колесу, об/хв Параметри в робочій зоні Маса, кг ВЦ 14-46-5К1 Типорозмір Потужність, кВт 1460
Q, 103м3/год P 278 АИР 180М4 30 16,0-18,7 2660-2905
Вентилятор ВЦ 14-46-5К1 призначений длясистем вентиляції, повітряного опалення та інших промислових тасанітарно-технічних цілей та служить для переміщення повітря та інших газовихсумішей при температурі від -40°Сдо +40°С,які не мають в собі липких речовин, абразивного пилу та волокнистих матеріалів.Вентилятори виготовляються з вуглецевої сталі, для переміщення повітря та іншихвибухобезпечних сумішей, агресивність яких по відношенню до вуглецевої сталі невище агресивного повітря – через корозійно-стійку сталь, для переміщенняповітря, забрудненого домішками агресивних вибухобезпечних газових сумішей.
2.4 Розрахунокенергоефективності та розробка рекомендацій щодо її підвищення
Ефективністьроботи вентилятора характеризується величиною ККД. Цей параметр залежить відконкретних умов роботи вентилятора, його продуктивності й вибирається захарактеристиками, що задані заводом — виробником.
Потужність, щозатрачується на виконання корисної роботи – Раер=2895 Н/м2( розрахункове значення напору вентилятора).
Необхіднамеханічна потужність, що забезпечує обертання вала вентилятора Рмех=2905Н/м2( значення напору вибраного вентилятора).
Значення ККДвентилятора:
/>
Підібраний вентилятор у повітропровідній мережі працює заоптимальним режимом />, тобто, система працює дуже ефективно.Але для забезпечення подальшої безперебійної та ефективної роботи агрегатунеобхідно виконувати наступні умови та втілювати такі заходи:
· Слідкуватиза зменшенням витоків з вентиляційних повітропроводів, тим самим, зменшатьсявтрати і навантаження на вентиляторі.
· Узгоджуватиіснуючу продуктивності вентиляторів з фактичним навантаженням.
· Провестиавтоматизацію керування продуктивністю, яке залежить від часу доби;
· Провестиавтоматизацію керування вентиляційними системами з урахуванням температуризовнішнього повітря;
· А такожголовним чином необхідне якісне і систематичне обслуговування вентиляційноїсистеми.
2.5 ВИСНОВКИ
Проведено розрахунокповітропровідної мережі, на задані параметри ( див. умову ).
По результатамрозрахунку напору вентилятора підібрано вентилятор марки ВЦ 14-46-5К1з подачею 16,0-18,7 м3/год, з тиском 2890-2905Н/м2, масою 278 кг. В комплектації електродвигун типорозміромАИР180М4, потужністю 30кВт, частотою обертанняротора 1460 об/хв. Розрахований ККД вентилятора складає 99%, а це значить, щовентилятор працює на дану повітропровідну мережу дуже ефективно.
3.СПИСОК ВИКОРИСТАНИХДЖЕРЕЛ1. Методические указание и задания к курсовой по дисциплине «Гидравликаи гидропневмоприводы»для студентов специальности 7.090209 – «Гидравлическиеи пневматические машины» всех форм обучения. Составитель: д.т.н.,проф. Н.И. Волков.
2. www.wilo.ru/cps/p/productsDownloads/00097974_0.pdf.
3. Краснощеков Е. А. и Сукомел А. С. Задачник потеплопередаче: Учеб. Пособие для вузов. – 4-е изд., перераб. – М.: Энергия,1980. – 288 с., ил.