CC BY
73
УДК [621.56./59:536.77]:004.4
Л. В. Галимова, Тоньон Клотильде Гуиди
ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АММИАЧНЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Введение
Высокая энергетическая эффективность аммиачных холодильных установок предопределяет их использование в холодильной технике, в том числе судовой. Однако аммиак, который не обладает озоноразрушающей способностью и не вносит прямой вклад в увеличение парникового эффекта, требует особого внимания при их эксплуатации.
Процессы, происходящие в холодильных установках, как и все реальные процессы, сопровождаются потерями вследствие необратимости. Это означает, что часть подведённой к установке энергии, которая могла бы дать полезный эффект, не используется. Оценка степени термодинамического совершенства технической системы в целом, а также выявление тех стадий технического процесса, на которых сосредоточены основные потери, проводятся на основе термодинамического метода [1].
Объектами исследования были три промышленные холодильные установки различного назначения: одноступенчатая холодильная установка льдогенератора плиточного льда для обеспечения судов рыбного порта; двухступенчатая холодильная установка для замораживания и хранения рыбной продукции; одноступенчатая холодильная установка с непосредственным охлаждением и промежуточным хладоносителем для поддержания температуры воздуха в охлаждаемых помещениях -5 и 0 °С при одной и той же температуре кипения -15 °С.
Для каждой из установок с помощью эксергетического метода были определены основные абсолютные и относительные характеристики в виде зависимостей от внешних и внутренних параметров их работы [2-5].
Целью работы являлся анализ результатов исследования, направленный на определения степени влияния рабочих параметров на эффективность холодильной установки.
В качестве основных внутренних определяющих факторов для всех трёх установок приняты температура кипения и состояние теплообменной поверхности аппаратов, а в качестве основной характеристики - относительная эксергетическая холодопроизводительность или эксер-гетический КПД. Ниже приведены зависимости, полученные при анализе (рис. 1-3).
Ея, Пе, %
110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
0
-14,4 -14,2 -14 -13,8 -13,6 -13,4 to, °С
Рис. 1. Зависимости эксергетических характеристик цикла и системы непосредственного охлаждения льдогенератора от температуры кипения /0: 1 - эксергетический КПД цикла (расчетный);
2 - эксергетическая холодопроизводительность цикла (действительная);
3 - эксергетическая холодопроизводительность системы льдогенератора
п, % 40 з 30'
2010
0-25 -24 -23 -22 -21 -20 <0, °С
Рис. 2. Зависимость эксергетического КПД двухступенчатой холодильной установки от температуры кипения и: ♦ - Ряд 1;---------------линейный (Ряд 1)
Пе, %
80 70 60 50 40 30 20 10 0
-18 -17,5 -17 -16,5 -16 <0, °С
Рис. 3. Зависимости эксергетических характеристик холодильной установки с непосредственным и рассольным охлаждением от температуры кипения:
1 - эксергетический КПД цикла; 2 - действительная эксергетическая холодопроизводительность цикла;
3 - эксергетическая холодопроизводительность системы непосредственного охлаждения;
4 - эксергетическая холодопроизводительность системы рассольного охлаждения
На графиках, представленных ломаными линиями, изломы характерны для меняющихся значений температуры и температурных напоров в элементах холодильных установок.
Анализ зависимостей показал, что:
— наименьшее значение эксергетического КПД характерно для рассольной холодильной установки;
— для установки льдогенератора снижение эксергетического КПД характерно для собственно льдогенератора;
— для двухступенчатой установки среднее значение КПД составляет около 22 %, что является достаточно характерной величиной.
Как было установлено, низкое значение эксергетического КПД рассольной системы определяется плохим состоянием изоляции рассольных трубопроводов и рассольной камеры; в установке льдогенератора снижение КПД зависит от недостаточного предварительного охлаждения воды, поступающей на плиты льдогенератора.
С целью установить степень влияния рабочих параметров на величину эксергетического КПД были получены следующие зависимости (рис. 4, 5) и определена скорость изменения изображённых функций.
Как видно из рис. 4, при повышении температурного напора между рассолом, выходящим из испарителя, и воздухом камеры на 1 °С эксергетический КПД снижается на 2,85 %, что в сравнении с оптимальными эксплуатационными показателями является значительной величиной.
При повышении температуры воды, поступающей на плиты льдогенератора, на 1 °С эк-сергетический КПД льдогенератора снижается на 1,28 %, что является самым заметным снижением в системе (рис. 5).
Показатели двухступенчатой установки достаточно высокие, поскольку двухступенчатая машина работает при более высокой температуре кипения (-18 °С), хотя была спроектирована для работы при температуре -38 °С. Несмотря на хорошие эксергетические показатели, работа при такой температуре кипения имеет свои недостатки, связанные со снижением качества замороженной продукции, что требует экономической оценки.
п, % 20 15 10
5 0
6 7 8 9 10 11 12 13
— Ед м, °с
Рис. 4. Зависимость эксергетического КПД системы рассольного охлаждения от температурного напора между рассолом в испарителе и воздухом камеры
п, %
48 46 44 42 40
6 7 8 9 10 11 12 Ь, °С
Рис. 5. Зависимость эксергетического КПД системы непосредственного охлаждения от температуры воды, поступающей на плиты льдогенератора
Анализ работы промышленных холодильных установок показал, что на величину эксерге-тических потерь и КПД значительное влияние оказывает состояние теплообменной поверхности.
Исследуемые холодильные установки включают в себя конденсаторы: кожухотрубные вертикального и горизонтального исполнения и испарители: рассольный открытого типа, батареи непосредственного охлаждения и рассольные горизонтальные коллекторные.
При моделировании работы промышленного загрязненного конденсатора определяли зависимость коэффициента загрязнения от температуры конденсации и потерь эксергии для различных конденсаторов. Расчеты вели по математической модели холодильной установки с использованием универсального математического пакета MathCad 14.
Коэффициент загрязнения поверхности конденсатора определяли по основному уравнению теплопередачи.
Значения температуры конденсации и потерь эксергии в конденсаторе выбирали из данных интерфейсов для каждой исследуемой установки. В результате обработки была получена следующая зависимость, м2 • кВт:
К = —1,971,10-3 + 7,398,10-5 ґк + 7,398,10-5 Де, (1)
где К - коэффициент загрязнения, равный термическому сопротивлению загрязнённой стенки.
В соответствии с полученной зависимостью были проведены расчёты по определению коэффициента загрязнения конденсаторов от температуры конденсации и величины эксергетиче-ских потерь для исследуемых установок. При этом для разных конденсаторов получены следующие усреднённые значения, м2 • К/Вт:
40,10-4; 58,10-4; 80. 10-4.
Сравнение осуществляли с величиной 44,10-4, м2 • К/Вт [6]. В [6] приведены коэффициенты коррекции рабочих характеристик холодильной установки при различных значениях коэффициента загрязнения, на основании которых можно сделать вывод о её состоянии.
При анализе работы испарителей и камерных охлаждающих батарей исходили из того, что понижение эффективности работы испарителя связано с уменьшением коэффициента теп-
лопередачи в случае недостатка хладагента или скопления масла, увеличения слоя снеговой «шубы» и нарушения работы вентиляторов воздухоохладителей. Ухудшение теплопередачи испарителей для охлаждения хладоносителя происходит при загрязнении их поверхности, выпадении «двойной соли», коррозии поверхности, обмерзания панелей, нарушении циркуляции хладоносителя в испарителе вследствие неисправности мешалки.
Целью анализа промышленных испарителей и камерных охлаждающих приборов явилось получение зависимости эксергетического КПД от рабочих параметров, сравнение их величины с максимальным значением эксергетического КПД, соответствующим нижнему значению оптимального температурного перепада, и заключение о состоянии теплообменной поверхности.
В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие зависимости.
1. Рассольный испаритель:
Пе = 0,886 ¿о - 0,490^рас. + 96,271. (2)
2. Батареи непосредственного охлаждения:
Пе = 69,339 - 0,203 (¿0 + ¿кам). (3)
3. Рассольные батареи:
Пе = -0,017 ¿0 - 0,545 ¿кам + 70,022. (4)
4. Испаритель льдогенератора:
Пе = 3,601 ¿0 - 1,984 ¿льда + 113,423. (5)
Заключение о состоянии поверхности делали на основе наблюдений.
В результате сравнения установлено, что среднее значение эксергетических потерь в приборах охлаждения отличается от расчётных на следующую величину, %:
Рассольный испаритель..................................................................53,8
Охлаждающая батарея системы непосредственного охлаждения...............................61,5
Охлаждающая батарея системы рассольного охлаждения.....................................42,5
Испаритель льдогенератора..............................................................19,6
Заключение: рассольный испаритель и камерные охлаждающие приборы находятся в неудовлетворительном состоянии. Требуется принятие комплекса мер по устранению недостатков. Испаритель льдогенератора работает удовлетворительно.
Выводы
1. Анализ работы промышленных холодильных установок проведен на основе моделирования и разработанной на его основе комплексной программы теплового и эксергетического расчета.
2. Разработанная программа использована для анализа холодильных установок различного назначения, что способствует общности выводов, выявлению особенностей каждой из них и обеспечивает возможность проводить сравнение.
3. Как показал анализ, даже незначительные отклонения в величинах режимных параметров заметно влияют на эффективность работы холодильных установок и ее элементов.
4. Используя полученные зависимости эксергетического КПД от рабочих параметров, можно определить состояние поверхности теплообменных аппаратов системы в любое выбранное время, а проведя сравнение с расчётным значением, сделать заключение о принятии необходимых мер.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Моделирование термодинамического анализа двухступенчатой холодильной машины / Л. В. Галимо-ва, Ю. Г. Гундарева, А. В. Костюрин, Ю. С. Хахалева // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2009. -№ 1 (48). - С. 56-62.
2. Холодильные машины: учеб. / под. ред. Л. С. Тимофеевского. - СПБ.: Политехника, 2006. - 99 с.
3. Guidi T. C., Galimova L. V. Analyse thermodynamique des installations frogorifriques industrielles // 2eme collogue des sciences, cultures et technologies de ’UAC. resumes-abstracts. - BENIN, 2009, du 26 au 29 mai.
4. Гуиди Т. К., Галимова Л. В., Пешев В. Ф. Термодинамический анализ холодильной установки масло-сырбазы «Астраханская» // Вестн. Междунар. академии холода. - 2009. - № 1. - С. 28-31.
5. Галимова Л. В., Гуиди Т. К. Термодинамическая эффективность холодильной системы на примере пластинчатого льдогенератора // Материалы IV Междунар. конф. «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Санкт-Петербург, ноябрь 2009 г. - СПб., 2009.
6. Бриганти А. Руководство по техническому обслуживанию холодильных установок и установок кондиционирования воздуха. - М.: Евроклимат, 2004. - 312 с.
Статья поступила в редакцию 17.01.2011
INFLUENCE OF INTERNAL OPERATING PARAMETERS ON EXERGY CHARACTERISTICS OF AMMONIAC REFRIGERATING UNITS WITH DIFFERENT FUNCTIONS
L. V. Galimova, Tonyon Clotilde Guidi
The results of the exergy analysis of three industrial refrigerating units with different functions are shown in the paper. The analysis is based on a complex program of heat ad exergy calculation, designed o the base of modeling. Boiling temperature and the condition of heat-exchange surface of devices are considered as basic internal defining operating parameters for all units. And relative exergy refrigeration capacity or exergy efficiency factor is considered as the basic characteristic. The analysis of the received dependences has shown that even insignificant deviations in sizes of regime parameters considerably influence the operation efficiency of refrigerating units and their elements.
Key words: refrigerating unit; exergy analysis; exergy losses; exergy efficiency factor; operating parameters; modeling.
