Розрахунок холодильної установки для обслуговування технологічного реактора

     ∆ t_ох – перепад температур рідкого аміака – 12 в охолоджувачі. Задаємося              ∆ t_ох=10°С

Температура фреону після  охолодження артезіанською водою:

                                             t ₄ =33-10=23°С

 

По знайденим температурам випару і конденсування за допомогою  діаграми стану аміаку  знаходимо  тиск відповідно: у випарнику   Ро = 0,09 МПа, в конденсаторі Рк = 1,3 МПа.

Цих відомостей достатньо  для находження вузлових точок циклу, що знаходяться на лінії насичення, знаючи ступінь сухості робочого тіла(х):

т.1 (х=1) – холодоагент знаходиться у виді сухої насиченої пари,  що поступає до компресору при температурі випару ∆ t_в= - 30 °С ; кінець випарювання – початок стискування.

т.2’’ (х=1) - початок конденсації.

т.3 (х=0) - кінець конденсації.

т.4 (х=0) – кінеці охолодження – початок дроселювання.     

Де х – ступінь сухості вологої насиченої пари на лінії насичення. Будуємо термодинамічний цикл установки в координатах Т-S (див. додатки).

         З метою  побудови процесу стиску задаємося  внутрішнім відносним (індикаторним) ККД компресору :

 

Ідеальний процес стиску описується ізоентропою S₁ = S₂’, де т.2' – точка перетину ідеального (адіабатного) стиску (перпендикуляр до осі S) із ізобарою        Р_к = 0,65 МПа.

По діаграмі стану  знаходимо  ентальпію перегрітого пару в  т.2'.

 

кДж/кг

 

В міру визначення параметрів стану хладагенту координати точок, що відображають ці стани, заносимо в таблицю 2.

Ентальпію після реального процесу  стиску (т.2) визначаємо за формулою:

 

кДж/кг               (3.6)

кДж/кг

 

Процес дроселювання описується лінією: h = const, h₄ = h₅ = 531Дж/кг.

 

 

 

По діаграмі стану  знаходимо т.5 на перетині ізоентальпії h₄ = 531кДж/кг з ізобарою – ізотермою То, Ро (t_в = -30°С, Р = 0,11 МПа). S₅ = 4,8 кДж/(кг·К).

Ступінь сухості вологої насиченої  пари після дроселювання можна визначити  по діаграмі з допомогою ліній рівної ступені сухості    (3.7)

Визначаємо термодинамічні параметри  для всіх точок циклу (таб.2) і будуємо  цикл у координатах Т-S і Н-S (див. додатки).

 

Параметри стану фреону – 12 в термодинамічному циклі холодильної установки.

 

Таблиця 2

 

 

3.2. Розрахунок енергетичних параметрів елементів установки

Ступінь підвищення стискання  в компресорі:

 

α =                                                    (3.7)

α =0,65/0,11=5,91????

Так як ступінь стискання  виявилась меньше 11, то система одноступенчата.

Внутрішня робота компресора на одиницю витрати робочого агента:

 

 кДж/кг     (3.8)

 

де І_а – питома робота при ідеальному (ізоентропійному) процесі стиску;

η_і – індикаторний ККД компресору.

 

 кДж/кг    (3.9)

 

             кДж/кг                               (3.10)

 

Визначимо питомий підвід (відвід) теплоти на один кілограм хладагенту в окремих елементах установки . Питома кількість теплоти, підведеної до робочого тіла у випарнику:

 

                                              кДж/кг   (3.11)

таким чином q₀ – питома масова холодопродуктивність робочого тіла в циклі. Питома кількість теплоти, відведеної від конденсатору:

 кДж/кг   (3.12)

 

Питомий відвід теплоти в охолоджувачі:

 

 кДж/кг           (3.13)

 

У процесі дроселювання теплота не відводиться і не підводиться, тобто h₄ = h₅. Складемо енергетичний баланс системи. Кількість теплоти, яка підводиться до системи, повинна дорівнювати кількості теплоти, яка відводиться від системи.

 

  кДж/кг         (3.14)

де qкм = 0, при відсутності зовнішнього охолодження компресора.

 кДж/кг           (3.15)

                                             1557=1557

тобто, енергетичний баланс сходиться.

 

Знайдемо теоретичний холодильний коефіцієнт циклу:

 

                      (3.16)

 

Масова витрата G робочого тіла, необхідна для забезпечення заданої холодопродуктивності:

 

 кг/с                       (3.17)

де Q₀ – холодопродуктивність всієї установки, кВт;

q₀ – питома кількість теплоти, яка підводиться до випарювача, кДж/кг.

Необхідна об’ємна продуктивність за умовами засмоктування :

 

 м³/с                                  (3.18)

 

 

де V₁ – питомий об’єм холодоагенту в точці 1.

 

                                            V_д=0,4915*0,94=0,462м³/с 

 

Сумарний об’єм, який описує поршень за одиницю часу знаходимо із співвідношення:

 м³/с             (3.19)

де λ – коефіцієнт подачі компресора (знаходимо графічно  як функцію від ступені підвищення тиску Р_к/Р_о).При, λ=0,53 ,тоді:

 

 м³/с

 м³/год =0,88 м³/с

Дійсна об’ємна продуктивність компресору:

 

 λ                                                 (3.20)

 

 м³/с

 

Масова витрата обраного компрессора:

 

    м³/с                               (3.21)

 

                                                      кг/с

 

 

3.3. Розрахунок енергетичного ККД

Знайдемо середню температуру  тепловіддавача . Так як різниця  Тн₁ і Тн₂ невелика, то:

 К                                   (3.22)

К

 

Температура зовнішнього  середовища рівна температурі води на вході в конденсатор:

Т_зс=Т_в1=292 К                  (3.23)

 

Питомі затрати електроенергії на одиницю виробленого холоду в ідеальному циклі рівні:

                   (3.24)

 

Знаходимо, Е_х – питома робота на одиницю виробленого холоду:

 

                                       (3.25)

           де  -електромеханічний ККД компресора,

Коефіцієнт холодильної установки:

                                               (3.26)

Знаходимо енергетичний ККД всієї установки:

                                       (3.27)

                            (3.28)

 

 

4. ЕКСЕРГЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ УСТАНОВКИ

 

Ексергією, в термодинаміці  прийнято називати максимальну корисну  роботу. Якщо параметри навколишнього  середовища задані, то ексергію можна розглядати як функцію стану робочого тіла.

Ексергія системи, яка знаходиться  в даному стані, вимірюється кількістю  механічної або іншої, повністю перетвореної енергії, яка може бути отримана від  системи в результаті її зворотного переходу із даного стану рівноваги з навколишнім середовищем. Із першого і другого початків термодинаміки безпосередньо виходить, що в кожному стані ексергії системи, також як і енергія, визначене фіксоване значення.

Ексергія системи, яка знаходиться  в навколишньому середовищі з  постійними параметрами, залишається незмінною тільки при зворотному проведенні всіх процесів, що протікають всередині неї, також і при взаємодії з навколишнім середовищем. Якщо будь-які із цих взаємодій проходять необоротно, то ексергія відповідно зменшується.

 Ця основна властивість ексергії  дозволяє використовувати її  як міру зворотності того чи  іншого процесу. Різниця значень  ексергії, яка вводиться в дану  систему е_вх і виводиться із неї, визначає сумарні втрати від незворотності в системі, що дозволяє знищення, тобто повне зникнення ексергії, на відміну від енергії, яка тільки розсіюється, дисонує.

Розглянемо зміни ексергії для  даного прикладу холодильної машини.

          Ексергія вводиться в систему в вигляді електричної енергії, яка живить електродвигун компресора. За рахунок ККД електродвигуна, відбувається втрата ексергії d_ем, тут втрачається 15% всієї енергії, яка вводиться. Далі частина енергії губиться в самому компресорі, що зумовлено наявністю в самому компресорі внутрішнього відносного ККД. В конденсаторі присутні втрати ексергії 2-х видів: втрати ексергії, яка відводиться охолоджуючою водою і втрати ексергії на необоротність.

 

 

При використанні тепла, відводиться для теплопостачання інших корисних цілей, ця втрата ексергії може бути значно знижена, якщо встановити перед конденсатором проти точний охолоджувач перегрітого пару, працюючий з невеликою кінцевою різницею температури . Тобто ексергія, що втрачається, може бути використана для створення ВЕР. Під ВЕР розуміється хімічно зв’язана теплота, фізична теплота і потенціальна енергія надмірного тиску продуктів, що утворюються в технологічних агрегатах, які не використовуються в самому агрегаті і можуть бути використані для енергозабезпечення інших агрегатів.

 З гарячою водою,  з конденсатора відводиться енергія,  але температура її не дозволяє  створити нове джерело ВЕР.

В охолоджувачі, частина  ексергії береться на нагрівання артезіанської  води і на незворотність.

В випарнику від фреону відводиться енергія, яка називається ексергією холоду [1]. Із ексергії, яка відводиться у випарнику, частина передається тілу, яке охолоджується, у вигляді ексергетичної холодопродуктивності, а частина губиться через незворотність теплообміну в випарнику.

 

4.1. Розрахунок  ексергії робочого агента і визначення питомих витрат ексергії

 

Значення ексергії в  вузлових точках визначаються по формулі (4.1.1):

 

кДж/кг                                 (4.1.1)

 

де h і S – ентальпія і ентропія для відповідних вузлових точок.

Для умов завдання, параметри  навколишнього середовища слідуючі :

 

Т_ЗС = 291 К; h_ЗС = 587,65  кДж/кг; S_ЗС = 4,87 Дж/(кг·К)           (4.1.2)

 

 

Знайдені, за цією формулою, ексергії  е_і для вузлових точок заносимо в таблицю 2.

Ексергії вузлових точок, розрахованих за формулою (4.1.1):

 

е₁  = 1650 – 750– 291· (9,3– 9,7) = 16,4кДж/кг;

е₂  = 2088 –750– 291· (9,5 -9,7) = 32,02 кДж/кг;

е_2’ = 2000– 750– 291· (9,3 – 9,7) = 30,067 кДж/кг;

е_2’’ = 1715 –750– 291· (8,4 – 9,7) = 29,27 кДж/кг;

е₃  = 587,9– 750– 291· (4,75 –9,7) = 27,77 кДж/кг;

е₄  = 531  – 750– 291· (4,6– 9,7) = 27,18 кДж/кг;

е₅  = 531  – 750– 291· (4,8 – 9,7) = 24,27 кДж/кг;

е₆  = 280  – 750 – 291· (4,6– 9,7)= 30,33 кДж/кг.

 

Будуємо цикл холодильної  установки в координатах Е-Н (рис.4.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Визначення питомих  витрат ексергії

Електрична потужність компресора

 

                                      N^к _е =Q_0· Е_хкВт   (4.2.1)

N^к _е =550· 0,45=252,9 кВт

 

       е_вх= N^к _е /G^к кДж/кг                  (4.2.2)

 

е_вх =252,9/0,496=509,8кДж/кг

 

Питомі електромеханічні втрати в компресорі складають:

d_ем = е_{вх ·} (1- η_ем ) кДж/кг                       (4.2.3)

де η_ем = 0,85;

d_ем =509,8·(1- 0,85)=76,4 кДж/кг

d_ем = 0,15  е_вх

Внутрішні втрати в компресорі:

d_к = η_ем· е_вх +е₁  -е₂ кДж/кг                             (4.2.4)

d_к =0,85·509,8+16,4 – 396,2=53,5 кДж/кг

d_к = 0,699·е_вх

Ексергія, яка відводиться з конденсатора складається з:

e _конд =е ₂ – е ₃ кДж/кг                    (4.2.5)

e _конд  =396,2 – 278,35=117,85кДж/кг

e _конд =0,119· е _вх

Втрата ексергії в  конденсаторі складається з:

- ексергії, яка відводиться охолоджуючою водою;

- ексергія, яка втрачається через незворотність теплообміну між робочим агентом і охолоджуючою водою.

 

 

Ексергія, яка відводиться  охолоджуючою водою, приблизно визначається за формулою:

e _{конд 2}  =q _конд· τ _е кДж/кг                            (4.2.6)

де τ_е – коефіцієнт працездатності тепла, що відводиться.