CC BY
64
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
4. Макеев, А. Н. Импульсные системы теплоснабжения общественных зданий [Текст] / А. Н. Макеев, А. П. Левцев // Региональная архитектура и строительство. —2010. — № 2(9). — С. 108-115.
ЛЕВЦЕВ Алексей Павлович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой теплоэнергетических систем Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва, г. Саранск.
МАКЕЕВ Андрей Николаевич, кандидат технических наук, преподаватель кафедры теплоэнергетических систем Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва, г. Саранск.
ЛАЗАРЕВ Александр Александрович, директор ООО «Энергосервис», г. Спасск.
Адрес для переписки: tggi@rambler.ru
Статья поступила в редакцию 04.08.2011 г.
©А. П. Левцев, А. Н. Макеев, А. А. Лазарев
УДК 621.56/ 59 в. А. МАКСИМЕНКО
А. Н. ФОТ А. В. БУБНОВ С. Н. ЛИТУНОВ
Омский государственный технический университет
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК С УЗЛОМ КОНДЕНСАЦИИ КОМБИНИРОВАННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
На крупных холодильных установках традиционно принято компоновать узел конденсации конденсаторами водяного охлаждения. В условиях современной тенденции к дефициту и росту стоимости охлаждающей воды целесообразно комбинированное охлаждение узла конденсации на действующих и проектируемых крупных холодильных установках. Комбинированное охлаждение узла конденсации позволяет стабилизировать давление конденсации и существенно сократить потребление охлаждающей воды.
Ключевые слова: комбинированное охлаждение, узел конденсации, водяное и воздушное охлаждение.
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) [1];
— 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 труб;
— 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 размещать их вблизи компрессоров и 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 [2] .
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 температуру конденсации Тк = 30...40°С. При
з
Рис. 1. 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
1дР
Рис. 2. Цикл холодильной установки в виде і - 1дР диаграммы
реконструкции существующих компрессионных холодильных установок следует учесть, что КВО не могут обеспечить, в летний период, расчетную температуру конденсации.
Одним из первых, кто предложил использовать комбинированное охлаждение узла конденсации, является Е. Т. Петров [3]. 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 летний 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. Путилина [4].
На кафедре КХМУ при ОмГТУ была проведена серия экспериментов на холодильной машине с
комбинированным охлаждением узла конденсации (рис. 1, 2).
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 току хладагента.
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 собирает сконденсировавшийся хладагент в пер-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
0,286875
Рис. 3. Зависимость электрической мощности (№л) от расхода воды конденсатора водяного охлаждения (Vw) и площади теплообменной поверхности аппарата воздушного охлаждения (Баво)
0,286875
Рис. 4. Зависимость давления конденсации (Рк) от расхода воды конденсатора водяного охлаждения (Vw) и площади теплообменной поверхности аппарата воздушного охлаждения (Баво)
вом 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 конденсации ниже давления кипения возможна работа установки без компримирования хладагента.
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 холодопроизводительность установки как в зимнее, так и в летнее время года.
В ходе проведения испытаний были получены данные, на основании которых можно выявить соответствие зависимости расхода охлаждающей воды , площади воздушного конденсатора Баво, расхода электроэнергии на привод компрессора Ыэд, давления конденсации Рк (рис. 3, 4). Во время эксперимента проводилась настройка температур кипения хладона в испарителе, при различных режимах конденсации в конденсаторных узлах водяного, воздушного и комбинированного охлаждения.
По данным графика (рис. 3, 4) видно, что применение комбинированного охлаждения узла конденсации позволяет сохранить низкое давление кон-
денсации, при этом сокращать расход охлаждающей. Таким образом, возможно сокращение использования пресной воды для охлаждения узла конденсации холодильных установок, где установленное компрессорное оборудование не позволяет 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 холодоснабжения.
В ходе опытной эксплуатации холодильной установки с комбинированным охлаждением узла конденсации была разработана схема включения отделителя жидкости, обеспечивающая более устойчивую работу установки [6].
Полученные результаты в ходе эксперимента показывают, что возможно поддерживать низкое давление конденсации в узле конденсации комбинированного охлаждения сократив расход охлаждающей воды по сравнению с конденсатором водяного охлаждения. Однако для нахождения оптимальных значений площадей теплообменных поверхностей аппа-
Таблица 1
Режимы работы холодильной установки
Режим работы Положение задвижек
I — компрессионный ів1 > іпк 11, 13, 9 — закрытая
II — компрессионный ів1 < іпк 10, 12, 9 — закрытая
III — без компримирования, воздушное охлаждение ів1 < іпер 11, 12, 9 — открытая
і„,
температура воздуха на входе в конденсатор воздушно-
го охлаждения, і
температура воды на входе в конденса-
тор водяного охлаждения, 151, 152 — температура входа и выхода хладоносителя, 1пк — температура переключения схемы прохождения узла конденсации, 1пер — температура возможного включения естественно-циркуляционной схемы
ратов водяного и воздушного охлаждения, а также регулирование расходов охлаждающих сред в них требуется проведение численного эксперимента. Эффективность работы теплообменных аппаратов может рассматриваться с различных точек зрения. Наиболее полным и достаточным считается технико-экономический критерий, который дает возможность учесть затраты на производство холода. В качестве функции цели выступают суммарные приведенные затраты Е.
т
Е = X Э1 + А 1=1
где т — число интервалов температур наружного воздуха;
А — постоянная часть приведенных затрат, определяемая текущими параметрами оптимизации, руб/ год;
Э — эксплуатационные затраты, руб.
В качестве ресурса оптимизации для комбинированного узла можно принять следующее сочетание параметров:
А1;т1п в — минимальная разность температур конденсации и воздуха в конденсаторе воздушного охлаждения (КВО);
(
Аі„
Л
Аі„
отношение максимальной и минима-
зывают следующие параметры: требуемая холодо-производительность установки, температура объекта охлаждения, температура оборотного водоснабжения, регион размещения (климатическая зона), стоимости основных энергоресурсов. На основе исходных данных работы холодильной установки производится расчет теоретического термодинамического цикла, результаты которого необходимы для расчета теплообменных аппаратов и компрессора холодильной машины.
Характеристики элементов получают в результате моделирования рабочих процессов. В теоретическом цикле процессы сжатия считаются обратимыми, депрессии в основных теплообменных аппарата отсутствуют. Для теплообменных аппаратов используются зависимости, описывающие процессы теплопередачи, для компрессора — объемные и энергетические коэффициенты, характеризующие эффективность компрессора. Для моделирования процессов, протекающих в теплообменных аппаратах, отобраны зависимости, которые в настоящее время дают наиболее достоверные результаты [9].
Поскольку в узел конденсации входят аппараты водяного и воздушного охлаждения, то распределение нагрузки между аппаратами учитывается коэффициентом соотношения нагрузок:
О
Ок
льнои разностей температур конденсации и воздуха для КВО;
ар — нормированный коэффициент распределения нагрузок по аппаратам узла конденсации;
Аітш в — минимальная разность температур конденсации и воды для конденсатора водяного охлаждения;
іпк — температура изменения схемы включения аппаратов.
Согласно постановке задачи выбора оптимального варианта является такое соотношение параметров оптимизации, при котором приведенные затраты холодильной установки в целом будут минимальными. Комбинированная схема узла конденсации предполагает в том числе и использование естественного холода окружающего воздуха, поэтому применение такой схемы предпочтительно для регионов с продолжительными зимами.
Поставленная задача решается с использованием принципа системного подхода [7]. Холодильная машина представлена в виде совокупности системных единиц. В исходных данных расчета производится выбор рабочего вещества и промежуточного теплоносителя. Расчет свойств выбранных веществ производится с помощью специализированной базы данных КЕРРКОР [8]. После выбора рабочего вещества ука-
где — нагрузка конденсации, сбива тепла перегрева и возможного переохлаждения, приходящаяся на конденсатор водяного охлаждения, кВт;
Ок — общая нагрузка узла конденсации, кВт.
После выбора основных аппаратов холодильной установки на каждом шаге по параметрам оптимизации рассчитываются суммарные приведенные затраты на производство холода в течении года. Затем с помощью процедуры поиска определяется минимум функции Е и оптимальные значения параметров оптимизации. Весь интервал температур наружного воздуха разбивается на участки и в каждом из них определяются минимальные затраты на производство холода, которым будут соответствовать оптимальные расходы охлаждающих сред узла конденсации.
Таким образом, предложенная методика расчета обеспечивает оптимальное проектирование крупных холодильных установок с комбинированной схемой охлаждения узла конденсации и уже на стадии проектирования определяет оптимальные режимы эксплуатации систем хладоснабжения, включая использование естественно-циркуляционных схем при низких температурах наружного воздуха.
Библиографический список
1. Шмеркович, В. М. Аппараты воздушного охлаждения для технологических установок нефтеперерабатывающих и химических заводов. Конструирование, исследование, опыт эксплуатации / В. М. Шмеркович. — М., 1967. — 131 с.
2. Курылев, Е. С. Холодильные установки / Е. С. Курылев. — Л. : Машиностроение, 1980. — 622 с.
3. Петров, Е. Т. Перспективные схемы хладоснабжения с конденсаторами воздушного охлаждения (ВНИИ информ и техн. - эконом исслед агропром комплекса) / Е. Т. Петров. — М. : АгроНИИТЭИММП, 1987. - 26 с.
4. Путилин, С. А. Влияние перегрева пара хладагента на характеристики конденсаторов с воздушным охлаждением : авто-реф. дис. ... канд. техн. наук / С. А Путилин. — Л, 1982. — 16 с.
а
Р
ув
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
5. Теплообменное оборудование и системы охлаждения компрессорных, холодильных и технологических установок [Текст] : учеб. пособие для вузов по направлению 150800 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника» / И. А Ян-варев [и др.]. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2005. — 392 с.
6. Пат. 101158 Российская Федерация, МПК U1 101158 RU F25B1/00. Холодильная установка / Максименко В. А., Фот А. Н., Романенко Р. В., Евдокимов В. С ; заявитель Омский гос. технич. ун-т. — №101158 ; заявл. 15.06. 10 ; опубл. 10.01.2011, Бюл № 01. — 2 с.
7. Сидоров, С. В. Правила реализации системного подхода в управлении развивающейся школой / С. В. Сидоров // Знание. Понимание. Умение : электронный журнал. — 2010. — № 2. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http: http:// zpu-joumal.ru/e-zpu/2010/2/Sidorov_Systematic_Approach/ (дата обращения: 16.01.2012).
8. Универсальная база данных рабочих веществ REFPROP 8. Copyright NIST. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.nist.gov/srd/new.cfm (дата обращения: 16.01.2012).
9. Гунич, С. В. Математическое моделирование и расчет на ЭВМ химико-технологических процессов : учебное пособие. — Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2010. —216 с.
МАКСИМЕНКО Василий Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Компрессорные и холодильные машины и установки».
ФОТ Андрей Николаевич, старший преподаватель кафедры «Компрессорные и холодильные машины и установки».
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», заведующий секцией «Промышленная электроника». ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Оборудование и технологии полиграфического производства».
Адрес для переписки: hein@lisi.ru
Статья поступила в редакцию 09.12.2011 г.
©В. А. Максименко, А. Н. Фот, А. В. Бубнов, С. Н. Литунов
Информация
Грантовая программа Года Германии в России 2012/2013
«Германия и Россия — вместе создавать будущее» — таков девиз Года Германии в России.
С июня 2G12 по июнь 2G13 года Германия предстанет в России во всем своем многообразии — культурном, научном и образовательном, политическом и экономическом.
В рамках Года Германии в России Министерство иностранных дел Германии, Немецкий культурный центр имени Гете при поддержке Фонда им. Роберта Боша проводят программу грантов: объявляется открытый конкурс на получение грантов на софинансирование проектов в области политики, экономики, образования и культуры, реализация которых планируется в первой половине 2G13 года в регионах России.
В период с G6.G2.2G12 г. по G2.G4.2G12 г. можно подавать заявки на софинансирование интересных проектов в 2G13 г. в следующих сферах:
— политика;
— экономика;
— культура;
— образование/наука.
Содержание проекта должно затрагивать актуальную для России и Германии тему, ориентированную на будущее.
Условия участия и примечания:
— проектная заявка от имени немецкой или российской организации;
— четкая связь проекта с Германией или российско-немецким сотрудничеством;
— проект должен быть реализован и представлен в регионах России (не в Москве и Санкт-Петербурге);
— проекты должны быть реализованы в первой половине 2G13 года (с 1.G1.2G13 до 15.G6.2G13);
— участие как минимум одного партнера с российской и с немецкой стороны;
— финансируются некоммерческие проекты, не инфраструктуры;
— финансовая поддержка осуществляется только на условиях софинансирования в объеме не более 5G% совокупных расходов по смете;
— неденежные формы участия в проекте могут учитываться;
— возможная сумма софинансирования в пределах 2.5GG — 25.GGG евро.
^итерии отбора:
—соблюдение и выполнение вышеперечисленных требований;
— тематическая ориентированность на девиз Года Германии «Германия и Россия — вместе создавать будущее»;
— ориентированность на фокус — темы Года Германии в России,см.: http://www.goethe.de/ins/ru/lp/ kul/usw/ de7862772.htm;
— хороший содержательный концепт;
— четкий план финансирования проекта;
— прозрачность;
— долгосрочная перспектива;
— предпочтение отдается проектам, где обмен и сотрудничество играют первостепенную роль.
Информация о программе на сайте Немецкого культурного центра имени Гете в России: http://www.goethe.de/
ins/ru/lp/kul/usw/ dj 12/ruindex.htm
Источник: http://www.rsci.ru/grants/grant_news/297/231494.php (дата обращения: 1G.G2.2G12).
