9754

20

прессор приводится в действие тепловым двигателем) энергии. Полезно ис-

пользованная эксергия Евых – это эксергия выработанного холода или тепло-

ты, равная затрате работы в идеальном цикле выработки холода эн или тепло-

ты эв. Поэтому эксергетический КПД равен отношению удельных расхо-

дов работы на трансформацию теплоты в идеальной и реальной уста-

новках.

Эксергетический коэффициент полезного действия рефрижераторной установки

где эн, эв – удельные расходы работы в идеальных рефрижераторном и тепло-

насосном циклах, определяются уравнениями (1.10) и (1.13).При этом в урав-

нении (1.10) Тв = То.с., в уравнении (1.13) Тн = То.с.

В идеальных установках величины эн и эв характеризуют обратимый цикл Карно. В этих установках эх = эн и этн = эв. Поэтому эксергетические КПД идеальных установок е,р и е,тн равны единице.

Эксергетический КПД реальных установок, характеризующий эффек-

тивность использования электрической (или механической) энергии для трансформации теплоты, всегда меньше единицы.

3. Методика расчета холодильной установки

Целью расчета является определение расхода рабочего тела, тепловых нагрузок отдельных агрегатов установки, расхода электрической или меха-

нической энергии на трансформацию теплоты, холодильного коэффициента,

эксергетического КПД установки.

Для расчета должны быть заданы следующие величины:

21

1)холодопроизводительность Q0, кВт;

2)рабочее тело (в одноступенчатых холодильных установках рекомен-

дуется использовать аммиак, фреон-12, фреон-134а, в многоступенчатых –

пропан, этан, фреон-22, фреон-23, диоксид углерода);

3)схема установки;

4)вид и температура Тн, К (tн2 °C) теплоотдатчика. Если эта температу-

ра в испарителе изменяется (например, когда теплоотдатчик – охлаждаемый рассол), должны быть заданы температура охлаждаемой среды на входе Тн1

(tн1) и на выходе Тн2 (tн2) из испарителя. Здесь и далее индексом 1 отмечена более высокая температура, индексом 2 – более низкая температура

(рис. 3.1а);

5) вид и температура Тв, К (tв, °C) теплоприемника (охлаждающей воды,

воздуха и др.). Если эта температура в конденсаторе изменяется, должны быть заданы температура охлаждающей среды на входе Тв2 (tв2 ) и на выходе

Тв1 (tв1 ) из конденсатора (рис. 3.1б);

6)вид и расход охлаждающей среды через охладитель Gохл, кг/с, и ее температура на входе в охладитель Та2 ,К (tа2, °C) (рис. 3.1в);

7)меньшие разности температур греющей и нагреваемой сред в испа-

рителе Ти ,К ( tи, °C) и конденсаторе Тк ,К ( tк , °C);

8) внутренний относительный (адиабатный) i и электромеханический

эм КПД компрессора. Для всех вариантов i = 0,8 , эм = 0,9;

9) температура окружающей среды То.с. Для всех вариантов

То.с. = 293, К.

Данные для расчета холодильной установки приведены в табл. 1 При-

ложения. Величина Q0 выбирается по последней цифре зачетной книжки, ве-

личина tи – по предпоследней цифре зачетной книжки.

22

Рис. 3.1. Изменение температур потоков: а – в испарителе; б – в конденсаторе;

в – в охладителе

Расчет производится в следующей последовательности.

=10 °C.

5.Строят цикл холодильной установки в одной или нескольких (в зави-

симости от наличия) термодинамических диаграммах T-s, h-s, p-h для задан-

ного рабочего тела (в соответствии с рис. 2.1). При этом давления р0 и рк оп-

ределяют по температурам t0 и tк соответственно по таблицам термодинами-

ческих свойств рабочего тела в состоянии насыщения (Приложение). Поло-

жение точки 2' определяют из условия s2' = s1, т.е. обратимости адиабатного процесса 1 – 2' сжатия в компрессоре.

6. Определяют параметры рабочего тела в основных точках цикла, ис-

пользуя термодинамические диаграммы или таблицы термодинамических свойств рабочего тела (Приложение).

23

Температуру t4 рабочего тела за охладителем определяют по предвари-

тельно принятой величине tохл:

где t3 = tк.

Энтальпия рабочего тела за дросселем h5 = h4. Из уравнения h5 = h5' + + х (h5'' – h5') определяют величину степени сухости х влажного пара в точке

5. Затем по уравнению s5 = s5'+ х (s5'' – s5') находят энтропию рабочего тела в этой точке. Параметры с индексами «штрих» и «два штриха» определяют по таблицам термодинамических свойств рабочего тела в состоянии насыщения по температуре или давлению.

Энтальпию h2 , кДж/кг, рабочего тела за компрессором после реального необратимого процесса сжатия определяют по уравнению (2.14).

Параметры рабочего тела представляют в виде табл. 3.1.

Таблица 3.1

1

2'

2

3

4

5

7. Определяют удельную внутреннюю работу компрессора по уравне-

нию (2.2):

li = h2 – h1 , кДж/кг .

8. Расход теплоты в испарителе (удельную холодопроизводительность)

определяют по уравнению (2.3):

q0 = h1 – h5 , кДж/кг .

9. Расход теплоты в конденсаторе определяется по уравнению (2.4):

где Gохл, кг/с и сp, кДж/кг∙К – массовый расход и изобарная теплоемкость ох-

лаждающего тела в охладителе.

Величина ta1 должна быть меньше t3 на 4…6 градусов. Если в результате расчета получается ta1 ≥ t3 , необходимо задать новую величину tохл , меньше предварительно принятой в п. 6, и затем повторить расчет до выполнения ус-

ловия ta1 < t3. Ориентировочно (t3 ta1) = 4…6 °C.

17. Удельный расход электрической энергии на одну единицу вырабо-

25

19.Холодильный коэффициент установки по уравнению (2.19)

= 1 / эх .

20.Определяют среднюю температуру теплоотдатчика

Эксергетические характеристики установки

23. Величины эксергии рабочего тела в основных точках цикла опреде-

ляют по диаграмме e-h (при ее наличии) или по уравнению (1.4)

е = h – hо.с. – То.с. ( s – sо.с. ) , кДж/кг

изаносят в табл. 3.1.

24.Удельное количество эксергии, вводимой в установку в виде элек-

дающим конденсатор, обычно не используют и считают потерянной. В кон-

денсаторе имеются также потери эксергии, вызванные необратимостью про-

цесса теплообмена между рабочим и охлаждающим телами. Поэтому сум-

марные потери эксергии в конденсаторе холодильной установки определяют уравнением

уменьшается на величину еи и частично переходит к охлаждаемому телу в виде эксергетической холодопроизводительности е0 , а частично теряется в количестве dи из-за необратимости процесса теплообмена. Поэтому

33. Строят диаграмму эксергетического баланса согласно рис. 3.2.

Рис. 3.2. Диаграмма эксергетического баланса холодильной установки

27

4. Методика расчета теплонасосной установки

Схема теплонасосной установки показана на рис. 4.1. В этой установке на вход охладителя III подается вода с температурой tа2 из обратной магист-

рали системы отопления. В охладителе вода подогревается за счет теплоты рабочего тела до температуры tа1 = tв2 на входе в конденсатор. В конденсаторе

II вода нагревается до температуры tв2 и поступает в подающую магистраль системы отопления. Потребитель использует тепловые потоки qохл и qк, полу-

чаемые от рабочего тела в охладителе и конденсаторе соответственно.

Источник низкопотенциальной теплоты (атмосферный воздух, речная или морская вода, грунтовые воды, сточные воды, отработавший пар и др.)

подают в испаритель V, где он охлаждается от tн1 до tн2 , передавая теплоту q0

рабочему телу. Эта теплота вместе с теплотой, получаемой в результате адиабатного сжатия рабочего тела в компрессоре I, трансформируется в вы-

сокопотенциальные тепловые потоки qк и qохл (уравнение 2.18).

Рис. 4.1. Принципиальная схема теплонасосной установки

28

В некоторых случаях, например, если источником низкопотенциальной теплоты является грунт, величина tн = const.

Расчет теплонасосной установки в основном аналогичен расчету холо-

дильной установки. При расчете теплонасосной установки, в отличие от хо-

лодильной, задают теплопроизводительность Qв, кВт, меньшую разность температур в охладителе tохл = t4 tа2, определяют величину µ коэффициен-

та трансформации теплоты (отопительного коэффициента).

Данные для расчета теплового насоса приведены в табл. 2 Приложения.

Величина Qв выбирается по последней цифре зачетной книжки, величина tи

– по предпоследней цифре зачетной книжки. Для всех вариантов эм = 0,9,

i = 0,8, температура окружающей среды То.с. = 293, К (tо.с = 20, °C).

Расчет производится в следующей последовательности.

Энергетические характеристики установки

1.Изображают схему теплонасосной установки с нумерацией основных точек цикла соответственно рис.4.1.

2.Определяют температуру испарения рабочего тела (уравнение 3.1)

t0 = tн2 – tи , °C.

3. Определяют температуру конденсации рабочего тела (уравнение 3.2)

tк = tв1+ tк , °C.

4. Температура рабочего тела за охладителем

5.Строят цикл в термодинамической диаграмме, используя условия s1

=s2’, h4 = h5. Энтальпию h2 определяют по уравнению (2.14).

6.Определяют параметры рабочего тела в основных точках цикла и представляют их в виде табл. 4.1, аналогичной табл. 3.1.

7.Определяют удельную внутреннюю работу компрессора по уравне-

нию (2.2):

li = h2 – h1 , кДж/кг.

29

8. Расход теплоты в испарителе (удельную холодопроизводительность)

определяют по уравнению (2.3):

q0 = h1 – h5 , кДж/кг.

9. Расход теплоты в конденсаторе определяется по уравнению (2.4): qк = h2 – h3 , кДж/кг.

10. Расход теплоты в охладителе определяется по уравнению (2.4): qохл = h3 – h4 , кДж/кг.

11. Проверяют энергетический баланс установки по уравнению (2.8): q = li + q0 = qк + qохл , кДж/кг.

12. Массовый расход рабочего тела в установке

G = Qв / ( qк + qохл ) , кг/с. (4.2) 13. Объемная производительность компрессора по уравнению (3.5)

V1 = G υ1 , м3/с,

где υ1 , м3/кг – удельный объем рабочего тела на входе в компрессор. 14. Тепловая нагрузка конденсатора по уравнению (3.6)

Qк = qк G, кДж/с.

15. Тепловая нагрузка охладителя по уравнению (3.7)

Qохл = qохл G, кДж/с.

16. Тепловая нагрузка испарителя

Q0 = q0 G , кДж/с. (4.3) 17. Удельный расход электрической энергии на одну единицу вырабо-

танной теплоты по уравнению (2.17):

этн= li / эм·q,

где