Программа теплового расчета пароаммиачной энергетической установки с абсорбционным трансформатором теплоты Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.575.3:621.1

ПРОГРАММА ТЕПЛОВОГО РАСЧЁТА ПАРОАММИАЧНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С АБСОРБЦИОННЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ ТЕПЛОТЫ

Л.М. ДЫСКИН, А.Е. МОТЫГУЛИН

ГОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», г. Нижний Новгород

Предложен способ определения параметров рабочих веществ и проведения теплового расчёта пароаммиачной энергетической установки c абсорбционным трансформатором теплоты в программе Microsoft Excel. Рассмотрены алгоритмы и блок-схемы функционирования программы.

Ключевые слова: энергосбережение, абсорбционный трансформатор теплоты, программа Microsoft Excel, параметры состояния вещества, тепловой расчёт.

Для утилизации низкопотенциальной теплоты на объектах теплоэнергетики целесообразно использовать абсорбционные тепловые насосы (АТН) [1]. Совмещением аммиачного АТН с пароаммиачной турбиной получается энергоустановка, способная эффективно производить электроэнергию [2].

Установка (рис. 1) работает следующим образом. К ректификационной колонне IV подводится из абсорбера I крепкий раствор с давлением рГ, т.е. раствор повышенной концентрации в состоянии 6, представляющий собой смесь аммиака и воды с концентрацией Этот раствор проходит через ректификационную колонну. В результате тепломассообмена между раствором и противоточно движущимся паром концентрация аммиака в паре повышается, а в жидком растворе - снижается. При отводе теплоты от пара из него выпадает жидкость (флегма), концентрация которой по аммиаку меньше концентрации пара. Затем раствор стекает в генератор пара III, где производится выпаривание из него легкокипящего компонента путём подвода внешней теплоты, например продувочной воды парового котла. Содержание аммиака в жидкой фазе раствора при этом сильно уменьшается и раствор из крепкого превращается в слабый.

Подогрев крепкого раствора до состояния кипения происходит при постоянной концентрации При дальнейшем подводе теплоты раствор кипит. При этом температура раствора возрастает от t6 до t7, а концентрация его снижается с до |7. Из ректификационной колонны пар в состоянии 1 поступает в дефлегматор V, где дополнительно охлаждается путем отвода от него теплоты через поверхность. Температура пара после дефлегматора обычно весьма незначительно отличается от температуры конденсации чистого аммиака при данном давлении. Генератор, ректификационная колонна и дефлегматор обычно компонуются вместе таким образом, чтобы было обеспечено естественное движение пара вверх, а флегмы и крепкого раствора - вниз.

После дефлегматора пар поступает в пароперегреватель VI, где его температура и энтальпия возрастают, а затем в турбоагрегат VII. В результате расширения с совершением работы температура и энтальпия пара снижаются до величин, близких к параметрам насыщения при давлении, близком к давлению в

© Л.М. Дыскин, А.Е. Мотыгулин Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

23

абсорбере. В состоянии 4 отработавший пар поступает в абсорбер. В абсорбере происходит смешение паров аммиака со слабым водоаммиачным раствором, попадающим в абсорбер через теплообменник VIII и гидроагрегат IX в состоянии 8. При адиабатном смешении пара и жидкого раствора образуется влажный пар. Для его превращения в жидкий крепкий раствор из абсорбера отводится теплота. Крепкий раствор в состоянии 5 выходит из абсорбера и подается насосом II через теплообменник VIII в ректификационную колонну [3].

Щу

Рис. 1. Принципиальная схема пароаммиачной энергетической установки с абсорбционным повышающим трансформатором теплоты: 1-8 - расчётные точки; I - абсорбер; II - насос;

III - генератор аммиачного пара; IV - ректификационная колонна; V - дефлегматор;

VI - пароперегреватель; VII - турбоагрегат; VIII - теплообменник; IX - гидроагрегат;

........пар;--жидкость

Тепловой расчёт описанной установки может быть автоматизирован с помощью Microsoft Ехсе1. Разработана программа расчёта, представляющая собой группы ячеек и диаграмм, взаимосвязанных друг с другом формулами и ссылками. Программа состоит из двух основных разделов: определение параметров вещества (температура t, давление р, концентрация энтальпия h) и тепловой расчёт установки. Исходные данные и конечные результаты расчётов вынесены на отдельный лист Ехсе1 для удобства анализа и распечатки.

Компьютерный расчёт параметров веществ основывается на диаграммах состояния и калькуляторах Excel. Диаграммы строятся по справочным данным о термодинамических свойствах водоаммиачной смеси и аммиака. При этом на оси абсцисс откладываются задаваемые параметры, а на оси ординат - определяемые. Калькулятор представляет собой набор взаимосвязанных ячеек, содержащих уравнения и логические выражения, и предназначен для определения искомого значения функции при нескольких аргументах. Программа Excel имеет возможность автоматически определять полиномиальные уравнения кривых на диаграммах. С помощью такого уравнения определяется искомый параметр (значение функции) при любом значении первого аргумента из области определения функции при постоянном значении второго аргумента. Так, например, уравнение Excel изотермы 10 0С (в данном случае температура

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

24

является вторым аргументом) для определения концентрации крепкого раствора имеет вид:

«=-4,3993*И42Л5+0,5306*И42Л4+10,779*И42Л3-8,4729*И42Л2+3,0065*И42+0,1705»,

где «Н42» - ячейка, в которой содержится значение давления в абсорбере pA (первый аргумент функции). Ячейки с соответствующими уравнениями составляют первую часть калькулятора искомого значения функции. На каждой диаграмме строятся графики функций для нескольких значений постоянного (второго) аргумента (включая крайние значения) и определяются их уравнения, т.е. задаются интервалы области определения функции по второму аргументу. Чтобы определить функцию при любом значении второго аргумента, вторая часть калькулятора высчитывает её методом интерполяции во всех имеющихся интервалах с помощью формул вида «=А+(С-Б)/Е*(В-А)», где буквами обозначены координаты соответствующих ячеек. Здесь А и В - ячейки со значениями функций в данном интервале при крайних значениях второго аргумента; С -ячейка с крайней большей величиной второго аргумента в интервале; Б - ячейка с заданной величиной второго аргумента; Е - ячейка с величиной интервала значений второго аргумента. После того, как в каждом интервале второго аргумента получены значения функции с заданными величинами первого и второго аргументов, третья часть калькулятора выбирает истинное значение функции с помощью логического выражения вида (на примере калькулятора концентрации крепкого раствора |КР):

«=ЕСЛИ(Лист1!039<-10;Лист2!Р47;ЕСЛИ(Лист1!039<=0;Лист2!В48; ЕСЛИ(Лист1!039<=10;Лист2!Б48;ЕСЛИ(Лист1!039<=20;Лист2!Р48; ЕСЛи(лист1!С39<=40;Лист2!И48;Лист2!Р47)))))». Здесь указанные ячейки содержат следующую информацию: Лист1!С39 - температура крепкого раствора на выходе из абсорбера; Лист2!Р47 - надпись «нет данных» (для случая, когда значение температуры выходит из области определения); Лист2!В48, Лист2!Б48, Лист2!Р48, Лист2!И48 - интерполированные по второму аргументу значения |КР в интервалах температуры в абсорбере: -10 < tA < 0°С, 0 < tA < 10°С, 10 < tA < 20°С,

20 < tA < 40°С. Это логическое выражение сравнивает заданную величину второго аргумента (температуру) и выбирает значение функции из истинного интервала, в который попадает заданное значение второго аргумента. Полученное расчётное значение функции передаётся на Лист 1 (табл. 1).

Таблица 1

Параметры вещества в точках по схеме

Точка Описание состояния вещества P, Ъ,

схемы °С МПа кг/кг кДж/кг

5 Раствор крепкий на выходе из абсорбера 20 0,12 0,37 -26

7 Раствор слабый на выходе из генератора 170 1,20 0,06 705

1 Пар равновесный до дефлегматора 92 1,20 0,94 1875

2 Пар после дефлегматора 40 1,20 1 1740

6 Раствор крепкий и флегма в ректификационной колонне 92 1,20 0,37 323

3 Пар острый перед турбиной 175 1,20 1 2086

4 Пар отработавший после турбины 5 0,12 1 1709

8 Раствор слабый перед абсорбером -1 0,12 0,06 1709

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

25

Подпрограмма определения параметров состояний веществ содержит 10 диаграмм:

1. Функции |Кр = /(рА) при -10 С < ¿А < 40 С;

2. Функции кКР = / (рА) при -10С < ¿А < 40С;

3. Функции |СР = / (рг) при 40 С < ¿г < 180 С;

4. Функции ИСР = /(рг) при 40 С < Iг < 180 С;

5. Функции йРП = / (|КР) при 0,04 < рг < 2 МПа;

6. Функции |РП = / (йРП) при 0,04 < рг < 2 МПа;

7. Функции ¿РП = / (|КР) при 0,1 < рг < 2 МПа;

8. Функции АКР = /(|КР) при 20 < ¿КР < 140 °С;

9. Функции НП = / (¿П) при 0,05 < рП < 2,0 МПа;

10. Функции ¿П = / (¿П) при 0,05 < рП < 2,0 МПа.

Здесь индексы «КР» - крепкий раствор, «СР» - слабый раствор, «РП» -равновесный пар, «П» - пар аммиачный, «А» - абсорбер, «г» - генератор.

По диаграмме 10 определяется действительное значение температуры пара на выходе из турбины с учётом диссипации энергии на трение.

На рис. 2 представлен внешний вид одной из диаграмм с соответствующим калькулятором. Окончательное расчётное значение искомой величины находится в правой нижней ячейке. Блок-схема подпрограммы определения параметров вещества в расчётных точках показана на рис. 3.

Рис. 2. Диаграмма 5 с соответствующим калькулятором © Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

26

( НачдлсГ^

'оПЛ2 > 'ГС 1 ^'л >

1 Л(г, if]tII, A'TOjAw/'I >

Давление указано в МПа

Р5 =РА ■>Р1

Pl =Рг = Pri

Рь =Рт >рз = Pr\

Pl = Рл Ps = p,\

h — 'оглг+ Л/д; h = /гс" ; 'л= 'гс - ;

ts = /j + Afxo

5 6

im =/(PA) 5 fiP/di

fc =f(Pr) l'm =/(Pi)

= 'иг + A'x

fe^/ii-A) = const i ''5 ""УО^а)/ -const ?

- const ? /'7 =У(Рг) / = cons» »

"J (pl ) r-const

1

* El 12

/=(!»- {7) / - tdi £5 =/(pa» 'Л); /'J =/(/>Л* W:

''s - V/tf- 1)J 4- {7 =/(Pr, 'с); л? =/0>г. 'г);

(Ai-As) 'з)

КГ

t, -t

13

-=A3- (A3-Аю) -Чт; =1

i, =/(л4) р - CÖflSt

21

(4 /с14,ра)

Параметры веществ в таблице Excel

Е

Окончание

D

Рис. 3. Блок-схема подпрограммы определения параметров вещества в расчётных точках

Тепловой расчёт пароаммиачной энергетической установки с абсорбционным трансформатором теплоты ведётся совмещением известных

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

27

методик расчёта абсорбционной холодильной машины [4] и паровой конденсационной турбины [5]. Результаты теплового расчёта представляют в виде табл. 2 (фрагмент). В ячейках столбца «Расчётное значение» находятся формулы Excel, соответствующие формулам из предыдущего столбца. Например, кратность циркуляции определяется из формулы: «=(1-K41)/(K39-K41)», где К41 и К39 -координаты соответствующих ячеек со значениями концентраций в точках 7 и 6.

Таблица 2

Тепловой расчёт установки

Определяемая величина, обозначение Формула Расчётное значение

Кратность циркуляции f f = (1 - Ç7) / fo - 3,07

Массовый расход слабого раствора на единицу массового расхода пара ^ - 1) f -1) = fe - fc6) / (fc6 - fc7) 2,07

Удельный отвод флегмы из дефлегматора ф Ф = (fc2 - fcl) / (fcl - fc7) 0,105

Удельная теплота дефлегмации qД , кДж/кг qд = (hi - h2) + k (hi - h6) 298

В блок-схеме программы теплового расчёта (рис. 4) приняты следующие обозначения: qTO - удельная тепловая нагрузка теплообменника; qr - удельная теплота генерации; qnn - удельная теплота перегрева пара; АйТ - разность энтальпий аммиачного пара на входе и выхлопе турбины; NT - задаваемая мощность турбины; Gn - расход пара; qA - удельная теплота абсорбции; А/дх, Адг - разности температур в дефлегматоре на холодной и горячей сторонах соответственно; tOB|aj - температуры охлаждающей воды до и после

дефлегматора соответственно; v5, vOBA, уовд - средние удельные объёмы раствора в точке 5, охлаждающей воды абсорбера и дефлегматора соответственно; пНР, ПнОВА, ПнОВд - КПД насоса раствора, насосов охлаждающей воды абсорбера и дефлегматора соответственно; АРнр, АРова, АРовд - разности давлений до и после указанных насосов; tOBA1 - температура охлаждающей воды на входе в абсорбер; cp - средняя удельная изобарная теплоёмкость охлаждающей воды; Т - удельный

расход теплоты на выработку электроэнергии; ЭСН. - расход электроэнергии на

собственные нужды; ^ - КПД нетто установки.

Алгоритм программы может быть расширен за рамки только теплового расчёта. Возможна разработка подпрограммы определения наиболее выгодных исходных данных. Для более глубокого анализа конструкции установки и определения экономических показателей от её внедрения общий алгоритм программы может быть дополнен технико-экономическим расчётом.

Выводы

Разработанная программа теплового расчёта пароаммиачной энергетической установки с абсорбционным трансформатором теплоты, включающая в себя подпрограмму определения параметров состояния рабочих тел, позволяет определять возможность, эффективность и параметры работы установки в широком диапазоне исходных данных. При этом отсутствует необходимость обращения к справочным таблицам и диаграммам, а результаты расчёта выводятся в удобной форме. Распространённость персональных компьютеров с программным обеспечением Microsoft Excel делает данную программу доступной для всех заинтересованных лиц. © Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

28

Рис. 4. Блок-схема программы теплового расчёта установки © Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

29

Summary

The method of determining parameters of the working substances and carrying out thermal calculations of the ammonia vapour power installation with an absorption heat transformer in Microsoft Excel is proposed. The algorithms and the flowcharts of the program are considered.

Key words: an energy saving, an absorption heat transformer, the program Microsoft Excel, the parameters of state of matter, a thermal calculation

Литература

1. Назмеев Ю. Г. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности: научное издание / Ю. Г. Назмеев, И. А. Конахина. М.: Издательство МЭИ, 2001. - 364 с.

2. Дыскин Л. М. Пароаммиачная энергетическая установка с абсорбционным повышающим трансформатором теплоты / Л. М. Дыскин, А. Е. Мотыгулин // Приволжский научный журнал. 2010. № 3. С. 78-81.

3. Соколов Е. Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения : учеб. пособие для вузов / Е. Я. Соколов, В. М. Бродянский. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоиздат, 1981. 320 с.

4. Бадылькес И. С. Абсорбционные холодильные машины : учеб. пособие для вузов / И. С. Бадылькес, Р. Л. Данилов. М.: Пищевая промышленность, 1966. 356 с.

5. Рыжкин В. Я. Тепловые электрические станции : учеб. для вузов / Под редакцией В. Я. Гиршфельда. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Энергоатомиздат, 1987. 328 с.

Поступила в редакцию 07 апреля 2011 г.

Дыскин Лев Матвеевич - д-р техн. наук, профессор кафедры отопления и вентиляции Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета, г. Нижний Новгород. Тел.: 8 (312) 430-54-85, 8-920-0150035. E-mail: polusmak@list.ru.

Мотыгулин Андрей Евгеньевич - аспирант кафедры отопления и вентиляции Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета, г. Нижний Новгород. Тел.: 8 (312) 430-54-85, 8-950-3716187. E-mail: anmot@mail.ru.

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

30