7987

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

4

Холодильный коэффициент установки

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

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

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

Коэффициент работоспособности холода

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)

Коэффициент полезного действия холодильной установки без учета по-

терь эксергии в испарителе по хладагенту

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

где φ = 0,8…0,9 – коэффициент фазности хладагента, учитывающий долю жид-

кого хладагента после дросселя при дросселировании.

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

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