Научная статья на тему 'Метод расчета парокомпрессионных трансформаторов теплоты'

Метод расчета парокомпрессионных трансформаторов теплоты Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
582
266
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕТОД РАСЧЕТА / ПАРОКОМПРЕССИОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТЕПЛОТЫ

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Здитовецкая С. В., Володин В. И.

Рассматривается метод совместного численного анализа параметров цикла и теплообменного оборудования контура парокомпрессионных трансформаторов теплоты, учитывающий нестационарный режим работы и необратимые потери в аппаратах и трубопроводах контура. Метод реализован в виде пакета программ и может использоваться при проектировании или выборе трансформатора теплоты с учетом хладагента и действительного оборудования, входящего в его состав. Приведены результаты исследования влияния потерь давления в испарителе и конденсаторе со стороны хладагента, обусловленных трением и местными сопротивлениями, на энергетическую эффективность трансформатора теплоты, работающего в режиме холодильно-нагревательной установки и теплового насоса. Действительно достигаемые режимные параметры теплового насоса в номинальном и нерасчетных режимах работы зависят от состава конкретного оборудования контура.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Method for Calculation of Steam-Compression Heat Transformers

The paper considers a method for joint numerical analysis of cycle parameters and heatex-change equipment of steam-compression heat transformer contour that takes into account a non-stationary operational mode and irreversible losses in devices and pipeline contour. The method has been realized in the form of the software package and can be used while making design or selection of a heat transformer with due account of a coolant and actual equipment being included in its structure.The paper presents investigation results revealing influence of pressure loss in an evaporator and a condenser from the side of the coolant caused by a friction and local resistance on power efficiency of the heat transformer which is operating in the mode of refrigerating and heating installation and a thermal pump. Actually obtained operational parameters of the thermal pump in the nominal and off-design operatinal modes depend on the structure of the concrete contour equipment.

Текст научной работы на тему «Метод расчета парокомпрессионных трансформаторов теплоты»

УДК 621.561

МЕТОД РАСЧЕТА ПАРОКОМПРЕССИОННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛОТЫ

Инж. ЗДИТОВЕЦКАЯ С. В., докт. техн. наук, проф. ВОЛОДИН В. И.

Трансформаторы теплоты (ТТ) включают широкую номенклатуру устройств и в зависимости от области применения классифицируются на холодильные машины, тепловые насосы и комбинированные холодильно-нагревательные установки. В Беларуси наиболее распространены холодильные машины, которые успешно применяются в пищевой и фармацевтической промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях. Перспективным направлением в области энергосбережения является использование тепловых насосов и холодильно-нагревательных машин в системах горячего водоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, в технологических процессах. Схема трансформатора теплоты с основным оборудованием и процессы в Г-5-координатах представлены на рис. 1.

Рис. 1. Схема трансформатора теплоты (а) и процесс в Г-з-координатах (б): 7-0-1 - кипение и перегрев в испарителе I; 1-2, 4-5 - перегрев пара, охлаждение жидкости в регенераторе II;

2-3 (2-3') - необратимое (обратимое) сжатие в компрессоре III; 3-4 - охлаждение и конденсация пара в конденсаторе IV; 5-6 - охлаждение жидкости в охладителе V;

6-7 - дросселирование в терморегулирующем вентиле VI

Для прогнозирования работы существующих трансформаторов теплоты и проектирования новых систем требуется инструмент, позволяющий проводить совместный анализ параметров цикла, теплообменников контура и элементов обвязки данных устройств с учетом необратимых потерь, в том числе и в нестационарном режиме работы. Имеющиеся методы анализа не отвечают этому требованию [1-3]. В отличие от них в данной статье представлен комплексный метод численного анализа, который позволяет проводить совместный расчет параметров цикла и теплообменного оборудования контура трансформаторов теплоты, учитывает работу компрессора и необратимые потери (определяемые изменением давления за

Белорусский государственный технологический университет

а

б

VI

5

счет сопротивления трения и местных сопротивлений) в аппаратах и трубопроводах контура. Это позволяет расширить рамки проектирования и повысить адекватность результатов при анализе работы холодильных машин, тепловых насосов, комбинированных установок.

Схема комплексного метода расчета ТТ представлена на рис. 2. Расчетная схема образует замкнутую систему и позволяет осуществлять как совместный расчет параметров цикла и теплообменников, входящих в состав, так и проектирование отдельных элементов.

Рис. 2. Схема комплексного метода расчета трансформатора теплоты

Вследствие большого разнообразия применяемых в трансформаторах теплоты конструкций теплообменников расчет проводится интегральным методом на основании решения уравнений теплопередачи и теплового баланса. Основные теплообменники - испаритель и конденсатор - рассчитываются по двум участкам: с фазовым переходом и для однофазного потока. В этом случае общая поверхность теплообмена F = Fi + Fu, где Fi - поверхность участка кипения (конденсации); Fu - поверхность участка однофазного потока перегретого пара. При анализе работы ТТ в нерасчетных режимах граница между участками изменяется при F = const. Это позволяет получить адекватные результаты.

Общий тепловой поток в теплообменниках с фазовым переходом

Q = Q: + Qa, (1)

где Qi - тепловой поток на участке с фазовым переходом (кипения или конденсации), Вт; Qii - то же однофазного потока (нагрев или охлаждение), Вт.

Для участка кипения и конденсации уравнения имеют вид:

Qi = k At: F Q (1 - x); (2)

qi = п2G2Cp,2 (| t2, 1- 4,2 |) >

где ki - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); Ati - средний температурный напор, оС; п - эффективность с учетом потерь при нагреве или охла-

ждении среды; О - массовый расход, кг/с; hfg - теплота фазового перехода, Дж/кг; х - степень сухости пара; Ср - теплоемкость, Дж/(кгК); ?22 - температура греющего или охлаждаемого потока соответственно на границе одно- и двухфазных участков кипения или конденсации, оС. Индексы: 1 -хладагент; 2 - охлаждаемый теплоноситель в испарителе или нагреваемый теплоноситель в конденсаторе; 2,1 - вход; 2,2 - выход.

Принимаем, что в конденсаторе происходит полная конденсация и х = 0.

Для участков однофазных потоков в испарителе и конденсаторе (соответственно нагрев или охлаждение пара) уравнения имеют вид:

бп = £пА?п Рц; би=^1А1срл (| 'и - ); (3)

бп =Ч2°2Ср,2 (|'2,2 - '2,2 |)-

В испарителе на входе в участок перегрева ¿1,1 = Ъ, а в конденсаторе на выходе участка охлаждения перегретого пара ¿1,2 = Ъ, где Ъ - температура насыщения.

Нестационарный режим работы трансформатора теплоты определяется работой испарителя и изменяющимися внешними условиями низкопотенциального источника теплоты. Теплоперенос в испарителе описывается системой уравнений:

^ = ШР; йт

^=л А [ 1 ('1, 1 - '1, 2)+^ (1 - *)]; (4)

йг

= Ч2М2Ср,2 ,

где Q - теплота, Дж; М- масса охлаждаемой среды, кг; т - время, с.

При численном решении системы уравнений (4) на временном интервале йх процесс в аппарате считается квазистационарным. Система уравнений (1)-(4) дополняется расчетом коэффициента теплопередачи и сред-нелогарифмического температурного напора с учетом поправки на схему течения потоков [4]. Коэффициенты теплоотдачи для однофазных потоков и при конденсации рассчитываются по соотношениям, приведенным в [4-6], при кипении хладагентов - по данным [6-8]. При проектном расчете трансформатора теплоты замкнутая система уравнений решается относительно поверхности теплообмена, а при поверочном - находится тепловой поток как функция температуры и давления. Одновременно с тепловым расчетом теплообменников определяются потери давления при течении потоков рабочих сред, обусловленные сопротивлением трения и местными сопротивлениями. Эксплуатационные характеристики компрессора определяются на основании функциональных зависимостей коэффициента подачи, индикаторного и электромеханического КПД от степени сжатия в компрессоре.

Метод включает также оптимизационный расчет теплообменников. В зависимости от задачи проектирования в качестве показателя оптимальности выступают масса аппарата, тепловой поток или другой требуемый показатель. Явные ограничения на функцию цели определяют диапазон изменения конструктивных параметров, неявные - предельные значения потерь давления, мощности на прокачку теплоносителя, коэффициента оребрения для ребристых поверхностей теплообмена. Минимум функции цели находится итеративным методом сеток с переменным шагом.

Замкнутая система уравнений, описывающая работу трансформатора теплоты, решается численно и реализована в виде пакета программ для расчета параметров парокомпрессионных ТТ [9], зарегистрированного в Национальном центре интеллектуальной собственности Республики Беларусь [10]. Пакет включает взаимосвязанные подпрограммы для расчета контура и теплообменников ТТ, а также коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления, физических свойств хладагентов и технологических сред. Сформирована база данных с параметрами компрессоров и распространенных хладагентов R22, R134a, R218, R290, R600a, которая может расширяться. Метод расчета применим в интервале температур хладагента от минус 40 до плюс 150 оС соответственно на входе и выходе компрессора. Достоверность рассмотренного метода анализа подтверждена сравнением с опытными данными в процессе проведения вычислительного эксперимента [11].

Рекомендации по предельным потерям давления в аппаратах со стороны хладагента даются в [5, 6], однако не учитывается влияние конкретных условий эксплуатации. Рассмотрим некоторые особенности влияния потерь давления со стороны хладагента в основных теплообменных аппаратах (испарителе Лрисп и конденсаторе Лрконд) холодильно-нагревательной установки на ее эффективность, полученные на основе разработанного метода расчета.

Комбинированная установка предназначена для охлаждения парного молока и утилизации отводимой теплоты для нагрева воды, используемой на технологические нужды. Испаритель представляет собой горизонтальную цилиндрическую емкость с поверхностью теплообмена в донной части. В испарителе 1000 л молока с температурой 35 оС охлаждается до 4 оС. Время охлаждения не более трех часов. Для повышения интенсивности теплообмена молоко перемешивается механической мешалкой. Конденсатор выполнен в виде змеевикового теплообменника с вытеснителем. Труба змеевика (18*1,5 мм) изготовлена из стали 12Х18Н10Т. Диаметр змеевика составляет 0,242 м, число витков - 40, относительный шаг - 1,1. Схема течения сред в конденсаторе - противоточно-перекрестная. Температура конденсации поддерживается постоянной (50 оС) за счет изменения расхода воды в конденсаторе, что способствует ее максимальному подогреву. Температура воды на входе в конденсатор составляет tв\ = 5 оС.

На p-h-диаграммах (рис. 3) приведены параметры термодинамических циклов с хладагентом R22, соответствующие времени работы установки 30 и 130 мин. Из сравнения циклов видно, что по мере увеличения времени работы установки давление в испарителе уменьшается, в то время как на входе в конденсатор оно поддерживается постоянным. Это приводит

к росту степени сжатия в компрессоре с = рг/рь которая для рассматриваемых случаев возросла с 3,07 до 4,47. Затрачиваемая удельная работа на привод компрессора увеличилась в 1,5 раза. Следствием этого является уменьшение холодо- и теплопроизводительности.

R22

-■ Д р * 0 - Др = 0

0 1

5,0 5,5 6,0 h, кДж/кг

о 1,7

^ 0,6 0,5 0,4 0,3

5,0 5,5 6,0 h, кДж/кг

Рис. 3. Параметры цикла: а - в начале работы; б - в конце работы установки

б

а

1,9

1,9

2

3

2'

1,8

1,8

1,7

0,8

4

4,5

6,5 7,0

4,5

6,5 7,0

В среднем потери давления снижают холодопроизводительность на 5 % (рис. 4). На рис. 4 указаны два режима работы установки, соответствующие 30 и 130 мин. Для них приведены значения мощности, потребляемой компрессором Мл, холодильного коэффициента е и потерь давления в испарителе и конденсаторе. Потери давления приводят к снижению холодильного коэффициента в 1,02 раза.

6 н—■—|—■—|—■—|—■—|—■—|—■—|—■—|—■—|—■—

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Время, мин

Рис. 4. Изменение холодопроизводительности установки: 1 - Мл = 6,28 кВт, е = 2,5 (при Ар = 0); 2 - 5,47 кВт, 1,74 (при Ар = 0); 1' - 6,19 кВт, 2,43 (при Дрисп = 0,0296 МПа; Дрконд = 0,1049 МПа); 2' - 5,43 кВт, 1,67 (при Дрисп = 0,0203 МПа; Дрконд = 0,0399 МПа)

Снижение холодопроизводительности приводит к уменьшению мощности на привод компрессора, но при этом потери давления практически не влияют на изменение мощности. Изменение теплопроизводительности установки имеет характер, аналогичный представленному на рис. 4. Потери давления приводят к снижению теплопроизводительности на 3,5-5,0 %.

Рассмотрим влияние потерь давления в теплообменниках контура на эффективность теплового насоса, используемого для нужд горячего водоснабжения. Источником низкопотенциальной теплоты является атмосфер-

ный воздух. Тепловой насос работает на Я22 и включает воздушный испаритель и змеевиковый конденсатор, компрессор ХГВ-14. Поверхность теплообмена испарителя состоит из пучка биметаллических ребристых труб. Диаметр стальной несущей трубы в испарителе 12^1 мм, спиральные алюминиевые ребра имеют высоту 8 мм, толщину - 0,5 мм и шаг оребре-ния - 6,3 мм. В пучке трубы расположены в шахматном порядке соответственно с поперечным и продольным шагом 38 и 28 мм, длина труб -1,25 м, число рядов труб по ходу воздуха - 10. Схема течения хладагента и воздуха - поперечно-перекрестный ток. Конденсатор представляет собой однозаходный змеевик из стальной трубы (18x1,5 мм), размещенный в корпусе. Диаметр змеевика составляет 0,242 м, число витков - 40, относительный шаг - 1,1. Хладагент движется внутри змеевика сверху вниз. Поток нагреваемой воды направлен поперек витков змеевика снизу вверх. Исследование проводилось для теплого времени года со средней температурой воздуха ¿возд = 21 оС. Температура горячей воды ^ на выходе из конденсатора должна быть не менее 50 оС.

На рис. 5 приведены результаты влияния потерь давления со стороны хладагента в конденсаторе и испарителе на параметры теплового насоса. В случае работы теплового насоса при Ар = 0 теплопроизводительность Ql увеличивается почти на 5,0 %, холодопроизводительность Qo - на 7,5 %, коэффициент преобразования ф - на 9,1 %, холодильный коэффициент в -на 10,4 %. В то же время мощность Мш, потребленная компрессором, уменьшается на 3,4 %. При Ар = 0 степень сжатия в компрессоре составляет 2,96, а при наличии потерь давления ее значение увеличивается до 3,13. Более высокие значения тепло- и холодопроизводительности соответствуют меньшей степени сжатия в компрессоре.

Рис. 5. Влияние потерь давления в теплообменных аппаратах на параметры теплового насоса

В соответствии с имеющимися рекомендациями потери давления со стороны хладагента в испарителе не должны превышать в среднем 40 кПа, а в конденсаторе - 50 кПа [5, 6]. Однако полученные в ходе вычислительного эксперимента данные показывают, что в конденсаторе действительное предельное значение потерь давления может быть выше приблизительно в два раза без существенного влияния на параметры трансформатора теплоты. Увеличение потерь давления в основных теплообменных аппаратах

контура, за счет увеличения скорости потока, с одной стороны, способствует получению более компактных теплообменников, а с другой - приводит к увеличению сжатия в компрессоре и снижению энергетической эффективности ТТ. Разработанный метод анализа может использоваться при проектировании или выборе трансформатора теплоты с учетом хладагента и действительного оборудования, входящего в его состав.

В Ы В О Д Ы

1. Разработан комплексный метод, реализованный в виде пакета программ, для совместного численного анализа параметров цикла теплооб-менных аппаратов и элементов обвязки контура парокомпрессионных трансформаторов теплоты с учетом нестационарного режима работы и необратимых потерь.

2. Метод позволяет проектировать трансформаторы теплоты и прогнозировать действительно достигаемые ими параметры с учетом конкретного оборудования в номинальном и нерасчетных режимах работы.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. В о л о д и н, В. И. Комплексный подход к расчету параметров компрессионной холодильной машины / В. И. Володин // Холодильная техника. - 1998. - № 2. - С. 8-10.

2. Б ы к о в, А. В. Холодильные машины и тепловые насосы / А. В. Быков, И. М. Кал-нинь, А. С. Крузе. - М.: Агропромиздат, 1988. - 286 с.

3. Б у б я л и с, Э. Процессы энергопереноса в тепловых насосах / Э. Бубялис, В. Мака-рявичус; под ред. А. Жукаускаса. - Вильнюс: Мокслас, 1990. - 186 с.

4. Б а ж а н, П. И. Справочник по теплообменным аппаратам / П. И. Бажан, Г. Е. Каве-нец, В. М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 367 с.

5. Г о п и н, С. Р. Воздушные конденсаторы малых холодильных машин / С. Р. Гопин, В. М. Шавра. - М.: Агропромиздат, 1987. - 149 с.

6. Т е п л о о б м е н н ы е аппараты холодильных установок / Г. Н. Данилова [и др.]; под общ. ред. Г. Н. Даниловой. - Л.: Машиностроение, 1986. - 302 с.

7. И н т е н с и ф и к а ц и я теплообмена в испарителях холодильных машин / А. А. Го-голин [и др.]; под общ. ред. А. А. Гоголина. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 223 с.

8. Б а т т е р в о р с, Д. Теплопередача в двухфазном потоке / Д. Баттерворс, Г. Хьюитт; под ред. Д. Баттерворса. - М.: Энергия, 1980. - 328 с.

9. З д и т о в е ц к а я, С. В. Пакет прикладных программ для комплексного анализа компрессионных тепловых насосов / С. В. Здитовецкая, В. И. Володин // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2009. - № 5. - С. 85-90.

10. П а к е т программ для расчета параметров парокомпрессионных трансформаторов теплоты: свидетельство № 402 / В. И. Володин, С. В. Здитовецкая; БГТУ - № С20120010; заяв. 06.02.12; опубл. 01.03.12. - 2012. - С. 1.

11. В о л о д и н, В. И. Тепловой расчет молокоохладительной установки при нестационарном режиме работы / В. И. Володин, С. В. Здитовецкая // Heat and Mass Transfer: Proc. of V Int. Forum, Minsk, 24-28 May 2004, Vol. 10 [Электронный ресурс]. - Минск, 2004. -1 электрон. опт. диск (CD-ROM): зв., цв. - 6 с.

Представлена кафедрой энергосбережения,

гидравлики и теплотехники Поступила 17.07.2012

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.