разное

Двухступенчатые машины

Применение неазеотропных смесей рабочих веществ в двух­ступенчатых холодильных (теплофикационных) машинах и тепловых насосах представляет новое направление. Причины применения двухступенчатых машин заключаются в необходимости производить тепло и холод на нескольких температурных уровнях либо одновременно получать теплоту и холод при большой разности температур. Многообразие схемно-цикловых решений двухступен­чатых машин, использующих неазеотропные смеси, определяется двумя принципами:

• степенью промежуточного охлаждения пара между ступенями сжатия;

• степенью переохлаждения жидкости перед дросселированием. Полное или неполное промежуточное охлаждение пара

Осуществляется кипящей жидкостью промежуточного давления и/или внешней охлаждающей средой. Переохлаждение жидкости высокого давления происходит путем теплообмена с кипящей жидкостью промежуточного давления или с холодным паром, всасываемым в
компрессор низкой ступени. В циклах двухступенчатых тепловых насосов промежуточное охлаждение пара является нецелесообразным. В каждом конкретном случае необходимость и возможность промежу­точного охлаждения должна быть доказана термоэкономическим анализом.

На рис. 17.12 представлено схемно-цикловое решение двухсту­пенчатой теплофикационной машины для одновременного произ­водства тепла (на двух температурных уровнях) и холода. К отличи­тельным особенностям этого схемного решения по отношению к существующим схемам двухступенчатых машин на R-717 (глава 12), следует отнести:

• промежуточное охлаждение пара теплоносителем;

• наличие фор-конденсатора, экономайзера и отделителя жидкости;

• наличие элементов абсорбционных машин - резорбера и насоса раствора (смеси, находящейся в жидкой фазе).

Промежуточный теплоноситель параллельно или последова­тельно проходит через три аппарата: промежуточный охладитель (ПО); фор-конденсатор (ФК) и резорбер (Р).

Рассмотрим последовательно процессы, происходящие в теплофикационной машине. Сухой пар (точка 7) сжимается в компрессоре низкой степени. Перегретый пар (точка 2) охлаждается (точка 3) и далее сжимается в компрессоре верхней ступени (точка 4),

В фор-конденсагоре пар охлаждается (точка 5). Далее в резорбер поступают два потока: пар (точка 5) и жидкость (точка 72), сжатая в насосе. В результате абсорбции с отводом тепла образуется жидкость рабочего вещества (точка б). В экономайзере вся жидкость после резорбера переохлаждается (точка 7). После экономайзера поток жид­кости разделяется: основной поток поступает в испаритель; вспомога­тельный - в экономайзер. В обоих потоках состояние жидкости после дросселирования характеризуется точкой 8. Процесс в испарителе ограничен точкой 9, процесс в экономайзере - точкой 10. Влажный пар, полученный в обоих аппаратах, поступает в отделитель жид­кости, где разделяется на насыщенный пар (точка 7) и насыщенную жидкость (точка 77). Из описания работы машины следует, что смесь при промежуточном давлении находится только в промежуточном охладителе между компрессорами.

Тепловые балансы аппаратов, материальные и энергетические балансы процессов разделения и смешения представлены уравне­ниями, приведенными к 1 кг циркулирующего рабочего вещества через испаритель: • для экономайзера

(7+я) (h6 - h7) = а (h}0 - h8);

Для смешения пара в отделителе жидкости a xjqXJO" + х9Х9" = (a XJO + х9) Х\\

Для смешения жидкости в отделителе жидкости

(7-х9)Х9. + а (1 - х10)Х10' = [(7-х9)+а (7~^)]Х/7;(17.35)

• для смешения в резорбере

(ах10 + х9)Х} +[(7-х9) + а (1-хю)]Хп = (7 + a)Xt. (17.36)

Параметры и характеристики в процессах адиабатного сжатия определяют из уравнений

(17.37)

(17.38а)

RT,

K-1

1 , (17.386)

"л =*и(Рк~Ро)' (17-4°)

Выбор промежуточного давления является функцией оптими­зации в соответствии с поставленной задачей.

Схемно-цикловое решение, представленное на рис.17.12, было подвергнуто анализу и оптимизации при работе в интервале концентрацийXt=0,75 ... 0,9. Для сравнения выполнен расчет машины на R-717 (Xt—\). Методика расчета является обычной для двухсту­пенчатых холодильных машин (п. 12.10). Исходные данные: режим работы - холодильная машина; Qo=50kBt; Tomin=-30°С; Т0тах= -10°С\ 'Тктіп= 65° С.

Узловые точки цикла: Т6 - температура выхода раствора из конденсатора, TKmm - 65°С; Т7 - температура раствора перед ДВ (на линии к испарителю)

Т7 = T0min+3 °= -30+3=-27°С; Т9 - температура пара на выходе из испарителя, Т0тах - -10°С; Тз = Тср, в рассматриваемом режиме Т3 = 65°С;

Рпр - промежуточное давление. Для расчетов осуществлялась вариация около значения рпр = yjpKp0 (энергетическая задача оптимизации).

Расчетные величины составили: рпр= (3;4;5;6;7)бар - для Х,=0,75 ... 0,9 ир„р= (4;5;6;7)бар - для Xt=l.

Результаты оптимизационных расчетов, обусловленных выбо­ром промежуточного давления и концентраций, представлены на рис. 17.13. Максимальные значения СОР наблюдаются при использо­вании в машине смеси NH3-H20 с концентрацией Xt=0,9. При этом СОРтах соответствует рпр=6 бар.

Характер поверхности решений ENe обратно пропорционален СОР, следовательно, наименьшие эксплуатационные затраты будут соответствовать машинам, использующим смесь NH3-H2O с концент­рацией Xt-0,9.

Минимальные размеры компрессоров {ЈVh—miri) могут быть получены для машины, работающей на R717, что связано с меньшими, по сравнению со смесью NH3-H2O, значениями удельного объема вса­сываемого пара. Особо это ощущается для компрессора низкой ступе-

Б)

Г)

Рис. 17.13. Различные задачи оптимизации как функции от промежуточного давления: а) СОР=Дрпр;Х1)\ б) энергетическая задача; в) транспортная задача; г) задача унификации компрессорного оборудования

Рис.17.14.

Термоэкономическая оптимизация:

А) капитальные зат­раты на компрессор­ное оборудование (Vh, м3/с);

Б) эксплуатационные затраты (Ne, кВт)

Ни. Это доказывается «взлетом» поверхности решений при продвиже­нии к рпр-Збар и концентрации А>=0,75. С точки зрения термоэконо­мики функция ZVh представляет капитальные затраты на компрес­сорное оборудование.

Множество решений функции VhmcN^c представляет восходящую поверхность, что полностью подтверждает классические представления о рассматриваемой зависимости (п. 11.3), однако идеальный случай решения задачи унификации, соответствующий

Т j КНС л / КВС ■*

Vh /Vh =1, при сочетание конкретного схемного решения и режима работы достичь не удастся.

В качестве переменной для проведения термоэкономической оптимизации выбрана концентрация смеси Х,=0,75; 0,9; 1 (случай Х,=0,8 оказался очень близким к Х,=0,75, поэтому не рассматривался) и промежуточное давление. Для оптимизационных расчетов компрессоры были приняты поршневыми. Результаты расчетов в графическом виде представлены на рис. 17.14.

Капитальные затраты рассмотрим в виде функции СОР-Л IVk). Аналогично эксплуатационным затратам, существуют минимальные значения XVсовпадающие с СОРтах: при Х,=0,75 2УГп= 0,011м3/с; приXt~\ XVhmin^ 0,066 м3/с. В случаеX,=0,9 2У7ГИ= 0,077м3/с, однако при нем IVhmm не соответствует СОР/пах. Таким образом, с точки зрения зависимости «СОР-2УЛ» оптимальными характеристиками обладает машина, использующая чистое рабочее вещество, т. е. R-717.

Анализ эксплуатационные затрат COP~f{Ne) показывает, что существуют минимальные значения Ne, меньше которых величина эксплуатационных затраты быть не может, например, при X(-0J5 - Nemin= 34,9кВт; при X, =0,9 - Nemitt= 25,8кВт; при Xt=l - Nemin= 29,8 кВт. Кроме того видно, что величины Nemin соответствуют величинам СОР"™ только при работе с одной концентрацией Xt смеси. Таким образом, с точки зрения функции «СОР-INe» оптимальными характе­ристиками обладает двухступенчатая машина на смеси NH3-H20 с концентрацией Х,=0,9.

На основании термоэкономического анализа можно сделать вывод, что согласованный оптимум также следует ожидать при использовании смеси NH3-H20 с концентрациями, близкими к Xt=0,9.

На рис.17.15 представлено схемно-цикловое решение теплофи­кационной машины. Отличительными особенностями этого схемного решения являются:

• нагрев пара низкого давления и пара промежуточного давле­ния в РТО посредством конденсирующейся жидкости высокого давления;

• наличие экономайзера;

• использование винтового компрессора со впрыском. Компрессор всасывает сухой пар (точка 1). В конце процесса

Всасывания в компрессор производится дозарядка пара (точка 8), в результате чего образуется пар в состоянии, соответствующем точке 11. Конец процесса сжатия - перегретый пар (точка 2). В фор-конден - саторе происходит охлаждение пара (точка а в конденсаторе - частичная конденсация до состояния в точке 3. Дальнейший процесс конденсации проходит в трехпоточном РТО путем одновременного теплообмена с двумя потоками: насыщенным паром низкого давления после испарителя и насыщенным паром после экономайзера. Конец процесса конденсации - точка 4. Переохлаждение жидкости происхо­дит в экономайзере путем теплообмена с кипящей жидкостью промежуточного давления, отобранной после экономайзера.

Состояние жидкости перед дроссельным вентилем - точка 5. Процесс в испарителе ограничен точкой 9, процесс в экономайзере - точкой 10. Специфика формирования схемы и цикла определяется условиями сжатия сухого пара либо пара с начальной степенью сухости не ниже 0,95. Из анализа цикла видно, что температура
окружающей среды не оказывает влияния на процессы в цикле, а T'(pK, Xt) полностью зависит от внутренних параметров цикла.

Выбор рабочих температур в теплообменных аппаратах маши­ны производится по температурам Т2 и Т9, концентрации Xt и давле­ниям рк и ро• В цикле нет внутреннего разделения потоков на пар и жидкость, поэтому все процессы осуществляются при постоянной концентрации Xt. Промежуточное давление рпр в цикле определяют при совместном решении уравнений: • теплового баланса экономайзера

(1 + a) (h4 - h5) = a (h7 - h6)\ (17.41)

Количества дозаряжаемого рабочего вещества і

F» XI

-1; (17.42)

\Ро ;

Процесса смешения потоков в компрессоре

(7+д) (hu-Рпр vn) = (hi - Ро vi) + ah8, (17.43) где vu - f(hn)\

• теплового баланса регенеративного теплообменника

(1 + a) (h3 - h4) = (hj ~ h10) + a (h8 - h7). (17.44)

Связь между температурами потоков на концах тепло - обменных аппаратов выражается следующими уравнениями:

Т^Ті + АТ^Т'^щ + АТ

Т4 = Т'(рКЛ) ~Т7 + AT = Тю + AT

Т2 >T"(pKxt)-

Температуру в конце процесса сжатия в компрессоре, а также величину работу при осуществлении сложного процесса сжатия с фазовым переходом определяют, используя ур.(17.37), (17.38а) и (17.40), с использованием в них соответствующих параметров цикла.

Для иллюстрации возможностей использования смеси NH3- Н20 в качестве рабочего вещества (неазеотропной смеси) рассматри­ваемых двухступенчатых машин, проанализируем только значения СОР циклов. Целью расчетов не является сопоставление схемно - цикловых решений, изображенных на рис.17.12 и 17.15 между собой. Полученные расчетные данные формируют инженерный подход к выбору схемы и показывают, что подобные машины имеют высокую

Термодинамическую эффективность только в циклах с одновре­менным получением тепла и холода.