CC BY
53
УДК 621.565.003.13:536.77
Л. В. Галимова, А. В. Жданов, М. С. Володченко, А. Ю. Климашов, В. М. Лопарев, Е. С. Титова
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ РЫБОЛОВЕЦКОЙ АРТЕЛИ «ДЕЛЬТА-ПЛЮС»
Объект исследований - холодильная установка рыболовецкой артели «Дельта-плюс» (г. Астрахань). Холодильник предназначен для замораживания рыбных продуктов. Компрессорный цех холодильника оснащен аммиачной холодильной установкой непосредственного кипения аммиака в приборах охлаждения. Цех обеспечивает поддержание температурных режимов в камерах одноэтажного холодильника условной грузовместимостью 1500 т. Схема подачи хладагента насосно-циркуляционная. Термодинамический анализ холодильной установки проводился с целью определения эксергетических потерь. Описана методика проведения эксергетического анализа, включающая тепловой расчёт, расчёт эксергетических потерь по элементам холодильной установки, расчёт эксергетического КПД установки, построение эксергетической диаграммы, демонстрирующей результаты расчёта. Диаграмма дает возможность оценить потери эксергии в каждом элементе и эксергетический КПД системы в целом. Определены причины потерь эксергии. Анализ работы холодильной установки и диаграммы потоков и потерь эксергии позволяет говорить об эффективности работы холодильной установки предприятия.
Ключевые слова: тепловой расчёт, эксергетический анализ, энергетическая эффективность, эксергетическая диаграмма.
Введение
Холодильник рыболовецкой артели «Дельта-плюс» (г. Астрахань), построенный и введенный в эксплуатацию в 1989 г., предназначен для замораживания рыбных продуктов.
Компрессорный цех обеспечивает поддержание температурного режима в камерах одноэтажного холодильника условной грузовместимостью 1500 т. Стены холодильника выполнены из полнотелого глиняного кирпича пластического прессования на известковом растворе марки 50. Толщина стен 380 мм, перегородок - 250 мм. Стены со стороны холодильных камер изолированы жесткими минераловатными плитами толщиной 400 мм и оштукатурены по стальной сетке. Промежуточными опорами являются бетонные колонны сечением 400 х 400 мм. Железобетонные перекрытия имеют следующие характеристики: толщина 320 мм с засыпкой из керамзитового щебня плотностью 400 кг/м3 и толщиной 300 мм; бетонная стяжка толщиной 40 мм; трехслойное покрытие пароизоляционного слоя из рубероида.
Водосток «организован» в водосточные трубы. Полы камер холодильника цементные, с мраморной крошкой.
Камеры хранения оснащены гладкотрубными и оребрёнными пристенными и потолочными батареями и воздухоохладителями непосредственного охлаждения.
По классификации холодильник относится к группе производственных, по ёмкости - к группе средних, по этажности - одноэтажный (высота этажа 6,2 м), по капитальности здания - 3 класс.
Производительность морозилок холодильника - 55 т/сут (по регламенту проектировщика). Компрессорный цех размещен в отдельном помещении. Энергоснабжение компрессорного цеха осуществляется по двум независимым кабелям (6 кВ). Для снижения подаваемого напряжения имеются трансформаторные подстанции. Питьевая вода на нужды предприятия подается из городской водопроводной сети по трубопроводу диаметром 100 мм. Техническая вода для охлаждения конденсаторов, компрессоров и маслоохладителей поступает с ГРЭС через собственную насосную станцию с системой фильтрации производительностью до 200 м3/ч. Тепло подается от собственной котельной, расходуется на бытовые нужды и обогрев в зимнее время.
Целью работы была оценка термодинамической эффективности холодильной установки рыболовецкой артели «Дельта-плюс» с использованием эксергетического метода.
Описание исследуемой холодильной установки
Компрессорное отделение холодильника рыболовецкой артели «Дельта-плюс» оснащено аммиачной холодильной установкой непосредственного кипения аммиака в приборах охлаждения. Схема подачи хладагента насосно-циркуляционная.
Холодильная установка обеспечивает температуру кипения равную -28...-30 °С. Указанный температурный режим обеспечивают 6 компрессорных агрегатов:
- АД-130-7-5, включающий в себя компрессор 5-ВХ-350-7-7 (ступень низкого давления (СНД) и компрессор П-110-7-1 (ступень высокого давления (СВД));
- АД-130-7-5, включающий в себя компрессор 5-ВХ-350-7-7 (СНД) и компрессор П-110-7-1 (СВД);
- АД-130-7-5, включающий в себя компрессор ВХ-350-7-7 (СНД) и компрессор 110-7-1 (СВД);
- АД-130-7-5, включающий в себе компрессор 21-А-410-7-7 (СНД) и компрессор П-110-7-1 (СВД);
- АУ-200;
- АУ-200.
Для каждого двухступенчатого агрегата установлен промежуточный сосуд. Перед конденсаторной группой установлен маслоотделитель 0ММ200.
В конденсаторную группу входят:
- линейные ресиверы 3.5РД - 2 шт.;
- дренажный ресивер 3.5РД - 1 шт.
В состав холодильной установки входит аппаратная, расположенная у холодильника.
Состав аппаратной:
- циркуляционные ресиверы 2,5 РДВ и 2,5 РДВА, дренажный ресивер 2,5 РД и аммиачные насосы 3Ц-4А и ЦГ-25/50К-7.5-4-У2, обеспечивающие циркуляцию хладагента в испарительной системе;
- два отделителя жидкости: ОЖ 200 в связке с 2,5 РЛ, установленные после циркуляционных ресиверов для защиты компрессоров от влажного хода.
Все компрессоры соединены соответствующими перемычками на всасывающей стороне таким образом, чтобы обеспечить взаимозаменяемость оборудования, другими словами, так, чтобы каждый из компрессоров мог работать на любой из потребителей.
Принцип действия холодильной установки
Схема исследуемой установки показана на рис. 1.
Хладагент (аммиак) от компрессоров СНД поступает в промежуточный сосуд, где охлаждается за счет отведения тепла к жидкому хладагенту, подаваемому в промежуточный сосуд для охлаждения пара. От промежуточного сосуда пар хладагента поступает в компрессоры СВД, где сжимается до давления конденсации. Пройдя через маслоотделители аммиак (пар) поступает в конденсаторы, охлаждаемые водой. В конденсаторах пар хладагента конденсируется при высоком давлении и в жидком состоянии стекает в линейные ресиверы. Из линейных ресиверов жидкий хладагент поступает на распределительную станцию и подается в циркуляционные ресиверы. Из циркуляционных ресиверов жидкий хладагент подается насосами в приборы охлаждения морозилок, камер охлаждения и хранения. В приборах охлаждения жидкий хладагент при низком давлении кипит, отводя тепло от продукта в морозилках, камерах для охлаждения, камерах хранения охлажденного и замороженного продукта. Пар хладагента, образовавшийся в приборах охлаждения, поступает в верхнюю часть циркуляционных ресиверов, при этом неиспа-рившаяся в жидкость часть отделяется от пара и возвращается обратно в приборы охлаждения, а пар всасывается компрессором СНД, т. е. осуществляется замкнутый цикл хладагента.
Каждый из компрессоров оснащен контролирующими приборами, показывающими величину давления всасывания и нагнетания, температуру всасывания и нагнетания, давление в системе смазки, а также устройством для контроля протока охлаждающей воды.
Для защиты компрессоров от опасных режимов работы они оснащены приборами, прекращающими подачу энергоснабжения двигателей компрессоров в следующих случаях: повышение давления нагнетания; неполадки в системе смазки; превышение температуры нагнетания;
повышение уровня хладагента в отделителе жидкости (циркуляционном ресивере) или в промежуточном сосуде. Для винтовых компрессоров опасным режимом является также повышение или понижение температуры масла на выходе из маслоохладителя относительно рекомендуемых значений. При остановке компрессора включается звуковая сигнализация, а на пульте управления высвечивается причина остановки.
Рис. 1. Схема исследуемой установки: I - компрессор СНД; II - промежуточный сосуд СПА600; III - компрессор СВД; IV - конденсатор КВ150; V - регулирующий вентиль № 1; VI - регулирующий вентиль № 2; VII - циркуляционный ресивер; VIII - насос; IX - испаритель
Каждый из аппаратов холодильной установки снабжен манометром для контроля давления в аппарате, смотровым стеклом для контроля уровня хладагента и предохранительным клапаном, который осуществляет аварийный сброс хладагента при чрезмерном повышении давления в аппарате.
Все предохранительные клапаны сосудов и аппаратов объединены в одну аварийную линию, которая выведена за пределы машинного отделения. Аварийный выброс хладагента осуществляется в место на 1 м выше самого высокого конька крыши зданий в радиусе 50 м.
Промежуточные сосуды, отделители жидкости и циркуляционные ресиверы снабжены поплавковыми регуляторами уровня, один из которых является рабочим (нижний и верхний предельные уровни) и два - аварийными, дублирующими друг друга.
Эксергетический анализ установки
Эксергетический анализ установки осуществлялся по следующему алгоритму:
1. Тепловой расчёт.
2. Расчёт эксергетических потерь по элементам холодильной установки.
3. Расчёт эксергетического КПД установки.
4. Построение эксергетической диаграммы.
5. Выводы.
Исходные данные для реализации эксергетического анализа приведены в таблице.
V
IV
Расчётные параметры системы
Параметр Значение параметра Параметр Значение параметра
Температура масла г 51,75 °С Температура в камере Гкам -21 °С
Температура кипения г0 -32 °С Удельная холодопроизводительность q0 1251 кДж/кг
Температура конденсации ^ 28 °С Удельная теплота конденсации qk 1398 кДж/кг
Температура воды на входе воды 24 °С рмасла 4 кПа
Температура воды на выходе Гвых. воды 25 °С Давление в промежуточном сосуде рПС 3,15 кПа
Температура наружного воздуха гнаруж. возд 20,83 °С Температура нагнетания нижней ступени Гнагн. НС 56 °С
Давление конденсации pk 10,08 кПа Температура нагнетания верхней ступени Гнагн. ВС 118,16 °С
Давление кипения р0 1,1 кПа Расход воды Оводы 220 м3/ч
Тепловой расчёт
Для теплового расчета были приняты следующие обозначения: Qk - теплота, отводимая в конденсаторе; Qw - теплота, отводимая водой; Ср№ - теплоемкость воды; - расход воды на конденсатор.
Расход хладагента по ступеням определяется с использованием теплового баланса конденсатора.
При известном расходе воды, поступающей на охлаждение конденсатора, и разности температуры воды на входе и выходе из конденсатора тепловой баланс имеет вид
Qk = Qw = Ж™ ■ Ср™ ■ М™.
Из опыта эксплуатации холодильной установки известно, что для обеспечения безопасной работы при общем потоке воды на охлаждение в рубашке компрессора и на конденсатор расходуется:
- на компрессор - 6 % (13,2 м3/ч);
- на конденсатор - 206,8 м3/ч (57,4 кг/с).
Qw = 57,4 ■ 4,2-1 = 241,08 кВт.
С достаточной степенью точности тепловая нагрузка для вертикального кожухотрубного конденсатора принимается равной количеству тепла, отведённого водой:
Оха =-;
qk
г 241,08 гип
= 1398 = 0' кг/с - расход хладагента в СВД;
О01 = ^02 + О + О => ^02 = 3,1- О — О;
, 4 1/ ч I От ( 72 — 73 1
С02 (72 — 73) = О (77 — 73) => О = ^ Л
(73 — 78)
О = О01 ■ Х7 - количество пара, образовавшегося в промежуточном сосуде, х7 - паросодержание в промежуточном сосуде;
О = 0,17 ■ 0,23 = 0,0391;
От (72 — 73) О = О__—_- — О ■ Хт
О02 О01 /. .4 О01 Л/;
(73 — 78)
О = 0 — °02 ('690 —1430) — 0,0391;
02 (1430 —190)
G02 = 0,1309-G02 • 0,2096;
С0„ = 0,131 = 0,108 кг/с - расход хладагента в СНД; 02 1 + 0,21
0,108 • 260
G = —1240— = 0,022 - количество пара, образовавшегося после первого дросселирования;
= Я0 • ^02 ; Q0 = 1251 • 0,108 = 135,1 кВт;
& = Як • = 1398 • 0,17 = 237,6 кВт.
¡1 = /2 - 71 = 280 и I2 = 74 - 73 = 320 - удельная энтропийная работа.
Я0 1291 „ , „ „
8Т =-=-= 4,1 - теоретический холодильный коэффициент.
Т ¡1 + G02 • 12 280 + 0,108 • 320
V! = —= 2,95; Я • >1
()(/2 - 77)
V? =—>2-= 2,34.
(73 - 75)
V1 и V-2 - удельная объёмная производительность.
>■1 =
>2 =
Р0 -АР0 ^ (Рт -АР Р0 -АР)) С1 ( )
Рт -АР0 ^ (Рк -АР Рт -АР0) --с2 (---)
Ть
Г '
Т
т
Т
>1 и >2 - коэффициенты подачи компрессоров.
Т Т П1 =-0— = 0,91 и п2 =-т— = 0,72 - индикаторный КПД;
Тт + вt0 Т + вtm
т 0 т
G ¡1
N = —01— = 0,11 и N = 0,45 - удельная мощность трения компрессоров; П
= + ЫТР = 0,2 и ЫЭфф = 0,59 - удельная эффективная мощность компрессоров;
8Д = —:-^ = 1,26 - действительный холодильный коэффициент.
Д N . + N ,
эф эф
Расчёт эксергетических потерь по элементам холодильной установки
Компрессор СНД:
N =
СНД
02 - 71) GСНД
П • Пт
П = 0,7 ; Пт = 0,95 [1].
0
0
0
т
т
т
= (1602 —1424) 0,108 = 28,9 кВт, СНД 0,7 ■ 0,95
" СНД = 21_^ — м ■
"км ^2—1 ;
Пе - Пт
А/2—1 = 74 — 73 — Гос (54 — 53) = (1602 —1424) — 296,7 (6,2 — 6,1) = 148,3;
"КСМД = 1602 —1424 —148,3 = 119,4; 0,7 ■ 0,95
дснд = - Оснд 100 % = 119,4- 0,108 100 % = 45 %.
N
СНД
28,9
Промежуточный сосуд:
Для определения потерь в промежуточном сосуде находим эксергетический КПД процесса охлаждения пара:
г/- лл п
тпара вх- = 56 — ' = 0,098; е 56+273
—7 — 23 7
„пара вых. = ' ' = — 0 у^
1е 273 — 7 , ;
П =
^пара вх. 0,098
пара вых. Пе —0,12
= 0,82;
Компрессор СВД:
£>ПС = (1 — 0,82) 100 % = 18 %.
N = (74 — 73) Освд =(1615 —1455) 0,17 = ^ ^
'СВД
Пе - П
0,9 ■ 0,83
" СВД = 74 — 73 —А1 ,
"км 14—3;
Пе - Пт
А14—3 = 74 — 73 — Гос (54 — 53) = 160 — 296,7 (5,7 — 5,6) = 130,3;
"КМД = --130 = 84,2;
КМ 0,83 ■ 0,9
дсвд = -КМ ■ Освд 100 % = 84,2■0,17100 % = 39 %.
N
СВД
36,4
Конденсатор:
"КД = 15—6 = 75 — 76 — Тос (55 — 56) = 1478 — 327 — 296,7 (5,3 —1,5) = 23,5;
23 5 0 17 = 23,5 - 0,17 100 % = 11 %.
"кд
36,4
Потери РВ1:
Потери РВ2:
dPB1 =|-Toc (56 - 57)| =-296,7 (1,4 -1,5) = 29,7;
29 7 • 0 17
DPB1 = —-г— 100 % = 13 %;
PB1 36,4
dPB2 = |—296,7 (0,9 - 0,92) = 5,9;
DPB2 = 5,9^0,108 100 % = 1,75 %. РВ 2 36,4
Испаритель:
T - T -21 - 23 7
твоз = кам oc = —' = -0 18'
T
273 - 21
T - T -32 - 23 7 тха = ^^ = 32 23,7 =-0,23;
То 273 - 32 -0,18
П =
-0,23
= 0,78;
DH = (1 - 0,78) 100 % = 22 %. Расчёт эксергетического КПД установки
Эксергетический КПД системы определяли путём последовательного вычитания потерь из величины приведённой эксергии.
Построение эксергетической диаграммы
Диаграмма позволяет оценить потери эксергии в каждом элементе и эксергетический КПД системы в целом.
Результаты эксперимента показаны на эксергетической диаграмме (рис. 2).
126 %
100 %
Рис. 2. Эксергетическая диаграмма потоков и потерь эксергии
На основании анализа работы холодильной установки и диаграммы потоков и потерь эксергии можно сделать следующие выводы:
1. Большие потери в СНД характерны для винтового компрессора. Возможные причины: изношенность самого компрессора, перетечки хладагента и т. д.
2. Потери в СВД связаны с большой изношенностью компрессоров, находящихся в эксплуатации на предприятии не один десяток лет; с перегревом на всасывании из-за длинного трубопровода, проходящего из охлаждающих камер в машинное отделение.
3. Потери в испарителе связаны с открытием дверей, плохой изоляцией потолка, негерметичностью камер (охлаждается коридор).
4. Потери в промежуточном сосуде зависят от разности значений температуры: чем больше разность, тем больше потери. Потери в промежуточном сосуде приемлемые.
5. Показатель на выходе 75 % - это высокий показатель, т. е., несмотря на потери, установка работает удовлетворительно. Объясняется это тем, что для охлаждения конденсаторов используется проточная вода; не полностью используется объём холодильных камер в связи с малой тепловой нагрузкой от продукта; летом используется двухступенчатая схема холодильной установки, а в переходные режимы - одноступенчатая, что позволяет достичь энергосберегающего режима.
Заключение
Эксергетический анализ холодильной установки в целом был произведён для оценки эффективности её работы. Результаты анализа позволили выявить недостатки и определить направления их устранения. В первую очередь это совершенствование эксплуатации охлаждаемых помещений и связи процесса охлаждения с их загрузкой. Приведение в соответствие загрузки камер и работы машинного отделения позволит сократить расходы энергии. Для обеспечения оптимального режима работы необходимо проведение изоляционных работ на трубопроводе подачи хладагента из испарительной системы в компрессоры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Быков А. В. Холодильные компрессоры: справочник / А. В. Быков, И. М. Калнинь, Э. М. Бежа-нишвили, Г. А. Канышев. М.: Колос, 1992. 304 с.
Статья поступила в редакцию 27.06.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Галимова Лариса Васильевна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Холодильные машины»; Galimova_lv@mail.ru.
Жданов Антон Владимирович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Холодильные машины»; Unantes@yandex.ru.
Климашов Александр Юрьевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Холодильные машины»; Kool-aleks @mail.ru.
Володченко Максим Сергеевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Холодильные машины»; Volodchenkom@mail.ru.
Лопарев Виталий Михайлович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Холодильные машины»; Vital3392@mail.ru.
Титова Елена Станиславовна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Холодильные машины»; L-enk-o@mail.ru.
L. V. Galimova, A. V. Zhdanov, M. S. Volodchenko, A. Yu. Klimashov, V. M. Loparev, E. S. Titova
THERMODYNAMIC ANALYSIS OF THE REFRIGERATION UNIT OF FISHING PARTNERSHIP "DELTA-PLUS"
Abstract. The object of the studies is a refrigeration unit of the fishing partnership "Delta-Plus" (Astrakhan). Refrigerator is designed for freezing fish products. The compressor is equipped with a refrigerator plant ammonia refrigeration system of direct ammonia boiling in the cooling devices. The shop provides temperature control in the chambers of one-floor refrigerator with conditional tonnage of 1.500 tons. The circuit of the refrigerant supply is pumping and circulatory. Thermodynamic analysis of the refrigeration unit was conducted to determine the exergy losses. A technique of exergy analysis, including thermal calculation, calculation of exergy losses of the elements of the refrigeration unit, the calculation of exergy efficiency of the plant, the construction of exergy diagram showing the calculation results are described. The diagram allows us to estimate the exergy losses in each element and exergy efficiency of the system as a whole. The reasons of the exergy losses are determined. The operational analysis of the refrigeration unit and the diagrams of flows and losses of exergy allows speaking about the efficiency of the operation of the refrigeration system of the enterprise.
Key words: thermal analysis, exergy analysis, energy efficiency, exergy diagram.
REFERENCES
1. Bykov A. V., Kalnin' I. M., Bezhanishvili E. M., Kanyshev G. A. Kholodil'nye kompressory: spravoch-nik [Refrigerating compressors: reference]. Moscow, Kolos, 1992. 304 p.
The article submitted to the editors 27.06.2014
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Galimova Larisa Vasilievna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Refrigerating Machines"; Galimova_lv@mail.ru.
Zhdanov Anton Vladimirovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Student of the Department "Refrigerating Machines"; Unantes@yandex.ru.
Klimashov Alexander Yurievich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Student of the Department "Refrigerating Machines"; Kool-aleks @mail.ru.
Volodchenko Maxim Sergeevich - Astrakhan State Technical University; Master's Student of the Department "Refrigerating Machines"; Volodchenkom@mail.ru.
Loparev Vitaliy Mikhailovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Student of the Department "Refrigerating Machines"; Vital3392@mail.ru.
Titova Elena Stanislavovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Student of the Department "Refrigerating Machines"; L-enk-o@mail.ru.
