Курсовая работа по дисциплине:
«Судовые холодильные установки»
на тему
«Расчет парожидкостных компрессионных трансформаторов тепла»
Содержание
1. Назначение и краткое описание трансформаторов тепла.
Трансформаторами тепла (или термотрансформаторами) 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, не может, как следует из термодинамики, происходить самопроизвольно. Для повышения потенциала тепла необходима затрата внешней энергии того или иного вида: электрической, механической, химической, кинетической энергии потока газа или пара и др.
Процессы повышения потенциал тепла классифицируются обычно в зависимости от положения температурных уровней: верхнего — теплоприемника ТВи нижнего — теплоотдатчика ТНпо отношению к температуре окружающей среды ТОС, принимаемой в большинстве случаев равной 20° С (293 К).
В том случае, когда температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды ТНВ = ТОС, осуществляющая отвод тепла система (трансформатор тепла) называется рефрижератором (класс R — от английского слова refrigeration — охлаждение)
При ТВ/>ТОС соответствующий трансформатор тепла называется тепловым насосом (класс Н — от английского слова heat — тепло)
При ТВ/>ТОС/>и ТВ/>ТОС трансформатор тепла осуществляет обе функции — и рефрижератора, и теплового насоса; он называется комбинированным (класс RH).
В основном работа рефрижератора заключается в выработке холода, т. е. отводе в окружающую среду тепла от объектов, температура Тикоторых ниже температуры окружающей среды. В зависимости от уровня ТН рефрижераторы делятся на две подгруппы: приТВ/>120 соответствующие системы называются холодильными, при ТН
Теплонасосная система предназначена для использования тепла, отводимого от окружающей среды или другого низкопотенциального источника (например, отработавшей воды или пара), для бытового или технологического теплоснабжения— подвода тепла при ТВ>ТОС. Обычно ТВ не превышает 400—450 К, поскольку тепло более высокого потенциала, как правило, выгоднее получать при использовании химического или ядерного топлива.
На рис.1 показаны характерные температурные зоны использования трансформаторов тепла различного назначения.
Теплоприемником — охлаждающей средой, к которой отводится тепло от охлаждаемого объекта, в рефрижераторных системах служит обычно окружающая среда (атмосферный воздух или вода), в теплонасосных и комбинированных системах отапливаемые помещения или обогреваемые элементы технологической аппаратуры.
/>
Рис.1 Температурные зоны использования трансформаторов тепла различного назначения
Очевидно, что процессы во всех трансформаторах тепла трех описанных видов (R, Н и RH) независимо от конкретной схемы должны моделироваться обратными термодинамическими циклами. В общем виде такие обратные циклы на Т, s -диаграмме показаны на рис. 2
Процессы 1-2, характеризуемый отводом тепла и уменьшением энтропии, 3-4, характеризуемый подводом тепла и возрастанием энтропии, а также 2-3 и 4-1, происходя-щие соответственно с понижением и повышением температуры рабочего тела, могут проводиться самыми разными способами и с использованием различных рабочих тел. Однако во всех случаях изменения энтропии и температур, перечисленные выше, неизбежно осуществляются.
Особое значение в трансформаторах тепла имеет процесс 2-3', связанный с понижением температуры до самой нижней точки цикла Т'3, его рассмотрению будет уделено в дальнейшем особое внимание. Наиболее простым эталоном цикла трансформатора тепла может служить обратный цикл Карно. Но на практике для трансформации тепла обычно используются другие циклы и процессы, существенно отличающиеся от цикла Карно. Причина этого не только в том, что систему, в которой бы протекал реальный цикл, близкий к циклу Карно, трудно реализовать на практике, но и в том, что существуют и другие циклы (в частности, с регенерацией), которые позволяют при прочих равных условиях обеспечить более высокую эффективность системы трансформатора тепла. Кроме того, некоторые процессы трансформации тепла, производимые, например, посредством полупроводниковых термоэлементов, протекают вообще без каких-либо циклов. Однако их конечные термодинамические показатели определяются, естественно, теми же значениями, что и для обратных циклов.
/>
Рис. 2 Принципиальная схема циклов трансформаторов тепла на Т, s-диаграмме.
а — рефрижератор; б — тепловой насос; в — комбинированный трансформатор тепла.
2. Исходные данные для расчета
Холодопроизводительность Q0=69,75 кВт;
Температура охлаждаемой среды на входе в испаритель Тн1=-8 0С;
Температура охлаждаемой среды на выходе из испарителя Тн2=-15 0С;
Температура охлаждаемой среды на выходе из конденсатора Тв1=26 0С;
Температура охлаждаемой среды на входе в конденсатор Тв2=20 0С;
ΔТк1=5 0С;
ΔТи=3 0С;
Объемная подача V0=11 м3/ч.
3. Описание расчетной схемы
/>
Рис. 3 Принципиальная схема и процесс работы реального компрессионного трансформатора тепла.
а) – Принципиальная схема б) – Т-S диаграмма
Установка работает следующим образом. Тепло от теплоотдатчика подводится к рабочему агенту в испарителе VI. В результате подвода тепла рабочий агент кипит в испарителе при давлении Р0и температуре Т0. Пар, полученный в испарителе, поступает в отделитель жидкости V, где он освобождается от капель влаги, а затем засасывается компрессором.
В компрессоре пары рабочего агента сжимаются с давления Р0до давления Рк Температура конденсации пара при этом соответственно повышается с Т0до Тк.
Из-за трения и необратимого теплообмена процесс сжатия в компрессоре 1-2 не совпадает с изотропным сжатием 1-2'.
Из компрессора пар поступает в конденсатор II, где в результате отвода тепла к теплоприемнику происходят охлаждение рабочего агента и конденсация пара.
Жидкий хладоагент при давлении Рк и температуре Тк проходит через дроссельный вентиль IV, где в результате дросселирования давление рабочего агента падает с Рк до Ро и температура снижается. При этом рабочий агент частично испаряется. После дроссельного вентиля охлажденный рабочий агент проходит через отделитель жидкости, в котором производится отделение жидкой фазы от паровой. Жидкий агент поступает в испаритель VI, где к нему подводится тепло q0теплоотдатчика (объекта охлаждения), полученный пар отводится непосредственно во всасывающий патрубок.
4. Расчет аммиачной одноступенчатой холодильной установки.
Определим температуры испарения и конденсации:
/>=/>-/>= -18 0С;
/>=/>+/>=31 0С.
Находим параметры рабочего агента в характерных точках схемы по термодинамической диаграмме или по таблицам аммиака:
Т1=Т= -18 0С=255 К;
/>=0,22 МПа;
/>=0,58 м3/кг;
/>=1662 кДж/кг.
/>=1,2 МПа;
/>=1925кДж/кг;
Т2=110 0С=383 К.
Т3=ТК =31 0С=304 К;
/>=1,2МПа;
/>=566кДж/кг.
Т4==255 К;
/>=0,22МПа;
/>=566 кДж/кг.
По формуле />находим энтальпию рабочего агента
на выходе из компрессора:
/>кДж/кг.
Находим удельную работу компрессора li:
/>;
/>кДж/кг;
/>;
/>кДж/кг.
Определяем удельный расход тепла на единицу расхода рабочего агента:
— в испарителе: />=1662-566=1096 кДж/кг;
— в конденсаторе: />=1990,75-566=1424,75 кДж/кг;
Проверяем энергетический баланс по формуле:
/>;
1096+328,75=1424,75;
1424,75=1424,75.
Массовый расход рабочего агента:
/>=69,75/1096=0,06 кг/с;
Объемная производительность компрессора:
/>м3/с;
Расчетная тепловая нагрузка конденсатора:
/>кДж/с;
Электрическая мощность компрессора:
/>=21 кВт;
/> — удельный расход электрической энергии на выработку холода – безразмерная величина, определяемая по формуле:
/>;
/>=0,3
Холодильный коэффициент />и КПД рефрижераторной установки />определяются по формулам: />=1/0,3=3,3
/>=0,4
Средняя температура хладоагента может быть определена по формуле:
/>;
/>К;
Удельный расход электрической энергии в идеальном цикле:
/>=0,12;
Эксергетический КПД холодильной установки:
/>0,40.
Значения эксергий рабочего агента в характерных точках процесса могут быть определены по e, i – диаграмме или формуле:
/>
Значения основных параметров рабочего агента в характерных точках процесса заносим в таблицу:
Номера точек
Давление />, МПа
Температура />, К
Энтальпия />, />
Энтропия />, />
Эксергия />,/>
1
2
3
4
0,22
1,2
1,2
0,22
255
409
304
255
1662
1990,75
566
566
9,1
9,26
4,73
4,80
107
389
291
271
Составим эксергетический баланс для />расхода рабочего агента.
Удельное количество эксергии, вводимое в установку в виде
электрической энергии, подведенной к электродвигателю компрессора:
/>=21/0,06=350 кДж/кг;
Удельные электромеханические потери в компрессоре:
/>=35 кДж/кг
Внутренние потери в компрессоре.
В компрессор подводятся 2 потока эксергии: электрическая энергия
/>и эксергия потока всасываемого рабочего агента />; из компрессора отводится эксергия потока рабочего агента />. Следовательно, внутренние потери эксергии в компрессоре:
/>=315+107-389=33 кДж/кг;
3. Потеря эксергии в конденсаторе состоит из двух слагаемых: эксергии, отводимой охлаждающей водой, и эксергии, теряемой из-за необратимого теплообмена между рабочим агентом и охлаждающей водой.
Эксергия, отданная хладоагентом:
/>=389-291=98 кДж/кг;
Эксергия, полученная охлаждающей водой, приближенно определяется по формуле:
/>=10 кДж/кг
где /> — коэффициент работоспособности отводимого тепла, который определяется по формуле:
/>=1-293/298=0,007
ТВ.СР – средняя температура хладоагента в конденсаторе:
/>;
/>=295 К.
Эксергия, теряемая из-за необратимого теплообмена между рабочим агентом и охлаждающей водой:
/>=98-10=88 кДж/кг;
Так как эксергия охлаждающей воды после конденсаторов компрессионных установок обычно не используется, то суммарные потери эксергии в конденсаторе составят:
/>=88-10=78 кДж/кг;
Потеря эксергии в дроссельном вентиле:
/>=20 кДж/кг;
Отвод эксергии в испарителе:
/>=164 кДж/кг;
Отвод эксергии в испарителе равен эксергии холода, произведенного в испарителе:
/>;
Из эксергии, отводимой в испарителе, используется в виде эксергетической холодопроизводительности эксергия:
/>-131,5 кДж/кг;
/> — коэффициент работоспособности полученного холода, определяемый по формуле:
/>=1-293/261= -0,12;
Остальная эксергия />теряется из- за необратимого теплообмена в испарителе:
/>=164+131,5=295,5 кДж/кг.
Удельный баланс эксергии рассматриваемой холодильной установки:
Подвод эксергии
Отвод эксергии
Параметр
кДж/кг
%
Параметр
кДж/кг
%
По отношению к эл. энергии, %
Эл. энергия на компрессор
350
100
Эл.мех.потери
35
5,9
10
Внутр. потери на компрессоре
33
5,7
9,4
Потери эксергии в конденсаторе
78
13,1
22,3
Потери эксергии в дросселе
20
3,4
5,7
Потери в испарителе
295,5
49,8
84,4
Эксергетическая холодопроизводительность
131,5
22,1
37,5
Всего
350
100
593
100
169,3
5. Подбор поршневого компрессора.
Заданы:
Параметры всасывания:
/>=0,22 МПа;
/>=255 К;
/>=0,58 м3/кг
Давление нагнетания: />=1,2 МПа;
Температура конденсации />=304 К;
Расчетная объемная подача />=11 м3/ч.
Объемный коэффициент, учитывающий влияние вредного пространства:
/>;
/>=0,91;
где с = 0,03 – коэффициент вредного пространства;
m=1,3 – показатель политропы расширения.
Коэффициент подогрева:
/>=0,83;
Коэффициент плотности принимается равным />
Объемный коэффициент подачи компрессора:
/>=0,74.
Объем, описываемый поршнями компрессора:
/>=14,8 м3/ч;
За основу принимаем серию компрессоров с ходом поршня L = 0,07 м; и диаметром цилиндра Д = 0,08 м при частоте вращения коленчатого вала />. Тогда число цилиндров компрессора: />и округляем его до ближайшего целого числа:
/>=8
Выбираем по таблицам поршневых компрессоров, например, восьмицилиндровый компрессор марки АУУ – 90. Производительность этого компрессора составит при />:
/>;
/>=110 м3/ч;
Индикаторный КПД
/>=0,81.
Заключение.
В ходе данной курсовой работы была рассчитана схема аммиачной одноступенчатой холодильной установки с охладителем хладоагента, составлен эксергетический баланс установки и определены потери эксергии в отдельных ее элементах. В заключение был подобран поршневой компрессор и определены его объемные и энергетические коэффициенты. Результаты работы отражены в графической части, в которую входят основные диаграммы и расчетная схема установки.
Литература
Добровольский А.П. Судовые холодильные установки.
Соколов В.Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессы охлаждения.
Стенин В.А., Матвиенко С.И. Холодильные машины и установки. Методические указания.
120>