CC BY
11
УДК Ó21.56/.59
АЛ. Фот, A.N. Fot , e-mail: [email protected] A.M. Завьялов, AM. Zavjalov A.B. Фарсов, A V. Firsov
Омский государственный технический университет. г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
КОМБИНИРОВАННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ УЗЛА КОНДЕНСАЦИИ КОМПРЕС СИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
COMBINED COOLING UNIT C ONDENSATION COMPRESSION REFRIGERATION SYSTEMS
Hi крупных холодильных установках традиционно принято компоновать узел конденсации конденсаторами водяного охлаждения. В условиях современной тенденции к дефициту н росту стоимости охлаждающей воды целесообразно комбинированное охлаждение узла конденсации на действующих н проектируемых крупных холодильных установках. Комбинированное охлаждение узла конденсации позволяет стабилизировать давление конденсации и существенно сократить потребление охлаждающей воды.
146
Traditionally at large cold stores accepted to cold condensation unit ill condensators of water cooling. Reasonable combined cooling of condensation unit at operating and projectable large cold stores at conditions of modern tendency to deficit and cost increase of cooling water. Combined cooling of condensation unit allows to save low pressure of cooling water.
Ключевые слова: комбинированное охлаждение, узел конденсации, водяное и возд}тмное охлаждение
Keywords: combined cooling, condensation unit, water cooling, air cooling
Традиционно считалось более целесообразным конденсаторы крупных и средних холодильных установок охлаждать водой, однако в настоящее время складываются тенденции к дефициту охлаждающей воды и росту ее стоимости. Для решения этой проблемы в компрессорном машиностроении достаточно широко стало внедряться воздушное охлаждение узла конденсации (КВО). так как этот способ имеет ряд преимуществ. Таких как:
- дешевизна теплоприемника, обладающего практически неограниченной теплоемкостью;
- несмотря на большие габариты КВО требуют меньшей площади на территории предприятия, чем аппараты для охлаждения воды и насосные станции (КВО занимают около 3%. против 15% водяного хозяйства) [6];
- простота монтажа и обслуживания;
- уменьшается объем ремонтных работ из-за уменьшения коррозии конденсаторов и объем работ по очистке теплообменных поверхностей от загрязнений;
- обеспечивается стабильность коэффициента теплопередачи, благодаря отсутствию загрязнений на поверхности ребристых груб:
- устраняется сброс загрязненных сточных вод в водоемы.
Несмотря на преимущества у КВО есть ряд недостатков:
- возрастание давления конденсации в периоды с высокой температурой окружающего воздуха;
- необходимо достаточно большое количество воздуха:
- работа вентилятора создает шумовой эффект
К достоинствам конденсаторов водяного охлаждения можно отнести:
- меньшие габариты, чем КВО, что позволяет размешать их вблизи компрессоров п сокращать протяженность трубопроводов:
- обеспечение более низкого давления конденсации;
К недостаткам относят:
- значительное загрязнение теплообменной поверхности, что требует частого обслуживания аппарата и высокие требования к охлаждающей среде;
- необходимость содержания водного хозяйства для обеспечения качества охлаждающей среды [1].
Решить проблему экономии пресной воды прибегнув к полной замене конденсаторов водяного охлаждения на КВО в ряде случаев невозможно, так как компрессоры крупных и средних холодильных установок, как правило, ориентировались на максимальную темпера-Т = "iO 40
туру конденсации г " . При реконструкции существующих компрессионных хо-
лодильных установок следует учесть, что КВО не могут обеспечить, в легний период, расчетную температуру конденсации.
Одним из первых кто предложил использовать комбинированное охлаждение узла конденсации, является Е. Т. Петров [2]. В своей работе он отмечает, что важнейшие задачи в процессе проектирования холодильных установок с конденсатором воздушного охлаждения является выбор схемного решения узла охлаждения и конденсации хладагента. До настоящего времени мало внимания уделялось влиянию входных параметров пара на эффективность работы аппарата. При повышении давления конденсации в легний период перегрев
пара на входе в аппарат может оказывать значительное воздействие, как на характер процесса конденсации, так и на эффективность работы холодильной установки в целом. Результаты исследований по этому вопросу можно найти в работе С. А Путшшна [3].
На кафедре КХМУ при ОмГТУ разработана математическая модель расчета холодильной машины с комбинированным охлаждением узла конденсации (рис. 1а, 16).
з
Рис. 1а. Расчетная схема холодильной установки с комбинированным охлаждением узла конденсации 1 - компрессор; 2 - испаритель; 3 - конденсатор водяного охлаждения; 4 - конденсатор воздушного охлаждения, 5 - отделитель жидкости; 6 - вентиль регулирующий; 7 - фильтр, 8 - клапан обратный, 9 - задвижка запорная; 10, 11,12, 13 - регулирующий вентиль
Особенностью представленной схемы комбинированного охлаждения узла конденсации является наличие отделителя жидкости 5, включенного в схему на выходе из первого конденсатора по ходу тока хладагента до входа во второй конденсатор В зависимости от режима работы (табл. 1) первый конденсатор снимает теплоту перегрева, или в нем происходит частичная конденсация хладагента. Отделитель жидкости служит для отвода сконденсировавшейся жидкости в первом конденсаторе, что приводит к снижению гидравлических потерь на порядок, что в свою очередь ведет к снижению металлоемкости холодильной установки. и улучшает теплообмен во втором конденсаторе по потоку хладагента.
Таблица 1
Режимы работы холодильной установки
Режим работы Положение задвижек
I - компрессионный Ы >(пк 11,13,9 - закрытая
II - компрессионный Ы <1пк 10,12,9 - закрытая
IV - без компрнмнровання, воздушное охлаждение (в1 1пер 11,12,9 - открытая
1в1 - температура воздуха на входе в конденсатор воздушного охлаждения. - температура воды на входе в конденсатор водяного охлаждения. 1x1,152- температура входа и выхода хла-доносителя, Шк - температура переключения схемы прохождения узла конденсации. Шер - температура возможного включения естественно-циркуляционной схемы.
По данным видно, что применение комбинированного охлаждения узла конденсации позволяет сохранить низкое давление конденсации, при этом достигнуто сокращение расхода охлаждающей воды в диапазоне 46-78 %. Таким образом, возможно сокращение использования пресной воды для охлаждения узла конденсации холодильных установок где установленное компрессорное оборудование не позво.ляет оптимально работать при высоких давлениях конденсации. Сохранение давления конденсации постоянным в течение всего периода эксплуатации холодильной установки благоприятно сказывается на работе компрессорных машин. В некоторых регионах страны (с холодными зимами) возможно переключение холодильной установки на режим работы без компримирования хладагента (при температуре конденсации ниже температуры кипения хладагента) [5]. В таком случае конденсаторы водяного охлаждения и компрессоры отключаются из холодильного цикла. В этот период возможно проведение планового осмотра и ремонта оборудования без прекращения холодо-снабжения.
Применение оптимального регулирования расходов охлаждающих сред конденсаторов воздушного и водяного охлаждения, а так же изменение площади теплообменной поверхности (если установлено несколько аппаратов водяного и воздушного охлаждения) позволяет поддерживать работу холодильной установки в оптимальном режиме и способствовать увеличению срока службы установленного компрессорного оборудования.
При различных температурах охлаждающих сред, как показано в табл. 1. возможно переключение последовательности прохождения конденсирующегося холодильного агента через аппараты воздушного и водяного охлаждения Установленный отделитель жидкости 9 собирает сконденсировавшийся хладагент в первом конденсаторе и направляет несконденсировав-шиеся пары хладагента во второй конденсатор по ходу хладагента. Жидкий холодильный агент из отделителя жидкости направляется в питающий трубопровод в обход второго конденсатора. При условии давления конденсашш ниже давления кипения возможна работа установки без компримирования хладагента. В таком случае компрессоры 1 отключаются из холо-
/
Рис. 16. Цикл холодильной установки в виде i — lgP диаграммы
дельного никла, а гидравлические потери в трубопроводах и аппаратах компенсируются за счет жидкостного гидравлического столба (конденсатор 2 расположен выше испарителя б).
Таким образом, при разных значениях температуры наружного воздуха и температуры охлаждающей жидкости, конденсаторы воздушного и жидкостного охлаждения работают в различной последовательности. Это обеспечивает более надежную и экономичную работу установки. К тому же возможность менять соотношение тепловых нагрузок между конденсаторами воздушного и жидкостного охлаждения позволяет повышать холодопроизводитель-ность установки, как в зимнее, так и в летнее время года.
Для решения поставленной задачи использован принцип системного подхода, который подразумевает выполнение следующих последовательных действий: представление холодильной системы как совокупности элементарных единиц, описание их основных характеристик, а затем синтез элементов в единое целое. Параметры элементарных единиц загружаются из базы данных аппаратов, находящихся в серийном производстве.
Характеристики элементов получают в результате математического моделирования процессов в них. Для теплообменник аппаратов это зависимости, описывающие процессы теплопередачи, для компрессоров - объемные и энергетические коэффициенты, характеризующие эффективность компрессора и зависящие от многих технических и режимных параметров
Для моделирования характеристик основных геплообменных аппаратов отобраны зависимости, которые дают наиболее достоверный результат по каждому типу аппарата
Эти зависимости помещены в модули, к которым впоследствии обращается САПР. Данный блок получает от управляющей программы в качестве входных параметров рабочие вещество, тип процесса и режим течения. По этим данным подбирается расчетное уравнение и на выходе программный модуль выдает значение коэффициентов, определяющие характер теплообмена и геометрические параметры теплообменного аппарата (содержащиеся в базе данных аппаратов).
В качестве первого элемента САПР был разработан программный модуль расчета характеристик теоретического цикла, имеющий самостоятельное значение, так как он дает первичное представление о холодильном цикле. При расчете элементов холодильной установки холодильный цикл корректируется для соответствия текущему режиму эксплуатации холодильной установки.
В основу была положена разработанная и протестированная универсальная методика расчета холодильного цикла.
Данная методика позволяет выбрать:
• Хладагент
• Основное и вспомогательное теплообменное оборудование
• Компрессорное оборудование
Выбор хладагента весьма важен, гак как его свойства во многим определяют основные размеры и характеристики выбираемых аппаратов. Расчет свойств хладагентов производиться при помощи специализированной базы данных REFPROP.
После выбора рабочего вещества составляют баланс материальных и энергетических потоков в рабочих элементах термодинамического цикла.
Созданная по данной методике программа решает поставленные задачи. Ниже приведен интерфейс программы (рис. 2) и результаты (Табл. 2. Рис. 3 ).
Интерфейс программы написан на объектно-ориентированном языке Delphi с элементами SQL, подключаемой базой данных Micro so ftAccess и библиотекой REFPROP
В закладках:
1. Настройка смеси - определяются вещества, используемые в холодильной установке
2. Входные данные - задается нагрузка и режимы работ теплообменного оборудования.
Результаты расчетов выводятся в соответствующие разделы в виде таблиц (Табл. 2,3,4).
таш
мстрси-со екеси Вхцаьье
Установить н/аногем
Угтапсл^ть у лад о г-озгг для испарителя
Устаревать ахлаждакхи по шел у для мхденсатооа а од** от о
установить охточдаюдую гргпу для конденсаторе юмуопого
хпмогси каигиея-ир испаритель комде<в1торвод»1сгйс1*гл>«двч»« конденсатор вод ишого
ITERATTON гетрегэйге [К] р'сзяге [>Ра] ептьа1ру [ДАпоЦ ика
обт*т< ептгору [Дйпо1-К] I ггваг скггвЛу [то!Д] с*тге5/|у ["х^Д] чара
1.1 2 72,15 4в],5ЯЭ6 0 0 0 0 г о 14,3599
1 272,15 34991,6278 404677,1961 0 151,5031 2 0,2379 14,8599
2 2 79,15 35-43.616 409789,1240 0 153,1067 г 0,2293 0,2293
3 »9,15 472,341 36695,1439 424378,3128 0 157,6258 2 0,2044 0,2044
1.1 313,1Б 1533,5797 36695,1439 424378,3128 0 157,6256 г 0,2044 13,0514
366,604 1717,6093 39900,4749 461447,8756 (1 157,6250 г 0,6507 0,6507
5 366,604 1533,5»? 40071,632 463427,303 0 158,9163 г 0,5706 0,5706
6.1 313,15 1533,5797 40071,632 463427,303 0 158,9163 1 0,5706 13,0514
6 313,15 3533,5797 21586,436 249646,5518 0 100,861 1 13,0514 13,0514
5 шд; 1533,5»? 51015,11« 243041,5741 1 49,0225 1 13,3163 13,3163
в 296,6816 1533,5797 19753,8209 228452,3861 0 94,8513 1 13,8726 13,3726
9 272,15 «1,9836 19753,8209 228452,3861 0 95,5126 1 1,5092 14,8599
«
Рис. 2. Интерфейс программы
Таблица 2
Результаты расчета
ГГЕЛАТЮМ Гешрегай1ге[К] рге5Шге[кРа] епЛа1ру[1то1] Нк?
1 272,15 481.98 34991.62 404677.2
2 279.15 481.98 35433.64 409789.1
3 299,15 472,341 36695.14 424378.3
4 366.604 1717,609 39900.47 461447.9
5 366.604 1533,57 40071.63 463427,3
6 313.15 1533.57 21586.43 249646.6
7 308.15 1533,57 21015.31 243041.6
8 296.68 1533,57 19753.82 228452.4
9 272,15 481.98 19753.82 228452.4
■100
20ÛQ00 2SODOO 3ÛOOOÛ 35СШО 400000 450000 SOOOOO Энтальпия, кДШ/Кг
Рже. 3. Цикл холодильной установки
Таблица 3
Конденсатор воздушного охлаждения
Qkond Tlog twl tw2 Albs А1&а Fvb Fiiai FnarR
[Вт] [К] И [К] [Вт М'К] [Вт / М:К] [M] [M3] [М=]
34069,31 1,66 297,15 303,27 2418,33 823,71 38 50 44.95
Таблица 4
Испаритель
Ws [»'Cl GSA dial FNARR m2] EN AR. |MÏ FVN [M3! TS IN IK1 TS OUI та Alfaa [Вт MJK1 Albs [Вт M'Kl
0.85 49789 34,83 45 34,2 286,46 278,15 1373,08 2959,35
Библиографический список
1 Курылев, Е. С. Холодильные установки / Е. С. Курылев — JL: Машиностроение, 1980 - 622 с.
2. Петров, Е. Т. Перспективные схемы хладоснабження с конденсаторами воздушного охлаждения (ВНИИ информ и техн. - эконом, исслед. агропрон. комплекса) / Е. Т. Петров. -М. : АгроНИИТЭИММП. 1987. - 26 с.
3. Пугилин, С. А. Влияние перегрева пара хладагента на характеристики конденсаторов с воздушный охлаждением : автореф дне. ... канд. техн. наук / С. А. Путилин. -Л., 1982. - 16 с.
4. Петров, Е. Т. Особенности автоматизированного проектирования систем хладоснабжения предприятий большой мощности / Е. Т. Петров. - Режим доступа: http://www.refropkb .ш/Download Article php. 2002.
5. Теплообменное оборудование и системы охлаждения компрессорных, холодильных и технологических установок: учеб. пособие для вузов по направлению 150800 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника» / И. А. Январей, В. Л. Юша, В. П. Парфенов и др. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2005. - 392 с.
6. Шмерковнч, В. М. Аппараты воздушного охлаждения для технологических установок нефтеперерабатывающих и химических заводов: Конструирование, исследование, опьгг эксплуатации / В. М. Шмеркович. - М., 1967.
