разное

Системы регенерации тепла

В мире существует достаточно много работ, направленных на оптимизацию систем регенерации тепла. Все работы в этом направлении объединены общим названием «Heat exchangers network (HEN)» и представляют термодинамический и термоэкономический, а также теплотехнический анализ и синтез систем регенерации тепла.

Случай создания системы РТО между различными энерго - преобразуюіцими системами, где одной или несколькими из них являются холодильные машины, встречается очень редко. В качестве примера можно назвать сложную систему регенеративного тепло­обмена между холодильной машиной и энергетической установкой, используемую в пределах одного транспортного средства (самолет, пароход, автомобиль). Случаи создания систем РТО широко распространены для предприятий, использующих искусственный холод, например, при производстве пива и безалкогольных напитков, на молочных заводах, хлебокомбинатах, а также во многих химико - технологических процессах, например, при производстве искусствен­ного каучука. Известны системы РТО между несколькими криоген­ными установками в пределах одного предприятия. Применение систем РТО с участием тепловых насосов и, особенно, теплофика­ционных машин, имеет большие перспективы.

В 1971 году Э. Гохманн (США) впервые представил идею создания системы регенерации тепла, как отдельной энергетической системы (рис.9.176). С начала 1980-ых годов Б. Линнхофф (Велико­британия) развивает эту идею и вводит понятие «ріпсЬ»-метода как концепции оптимального синтеза системы РТО[34]. Оставляя идею мето-

Системы регенерации тепла

Системы регенерации тепла

100 200 300 б)

Рис.9.19. Процедура графических построений «ріпсЬ»-анализа: а) анализ горячих и холодных потоков в координатах T-Q; б) определения «pinch»-точки

Да, но, используя термоэкономический критерий как функцию оптимизации, с 1990-ых годов Д. Сама и позже Э. Шиубба (Италия) работают над совершенствованием «ріпсЬ»-метода.

Рассмотрим основы «ріпсІі»-метода (рис.9.19). По исходным данным, к которым относят количество холодных и горячих потоков, а также соответствующие каждому потоку входящие, выходящие температуры и термодинамические свойства, изображают характе­ристики каждого потока в координатах T-Q (рис.9.19а). Далее суммируют температурно-тепловые характеристики всех горячих и всех холодных потоков. В результате этой части анализа инженер - проектировщик обладает двумя ломаными линиями, представляю­щими обобщенную линию (icomposite curve) горячих потоков и обобщенную линию холодных потоков. Далее, линии сближают друг с другом на минимальное расстояние, соответствующее потенциаль­ному РТО с ATmin, которое и будет соответствовать так называемым «pinch»-T04KaM для холодной и горячей обобщенных линий. Процедура «сближения линий» отражает процесс оптимизации. Разные варианты «сближения» будут описывать разные варианты конфигурации системы РТО и соответствовать разным значениям функции оптимизации.

Тепло, которое не может быть отведено посредством регене­ративного теплообмена, должно быть отведено внешней охлаж­дающей средой; тепло, которое не может быть получено посредством регенеративного теплообмена, должно быть подведено от внешнего источника тепла.

При рассмотрении системы РТО в виде отдельной контрольной поверхности (рис.9.176) создание обобщенной (гипо­тетической) схемы всех возможных вариантов осуществимо только при малом числе потоков. Например, для случая создания системы РТО между 2 холодными и 2 горячими потоками, число РТО будет равно 24. В этом случае прямой перебор вариантов осуществить возможно, но возникает вопрос: «Сколько будут стоить такие исследования?». Если увеличить число потоков для синтеза системы РТО до 5 холодных и 5 горячих, то обобщенная схема уже составит 1,55х1025 вариантов соединений потоков, т. е. числа РТО. Очевидно, что осуществить прямой перебор такого числа вариантов уже нереально и необходимо каким-либо образом процесс синтеза системы РТО сделать направленным, подчиняющимся определенным принципам и законам. Одним из методов направленного поиска является создание и использование экспертных систем.

Существуют принципы и правила формирования экспертных систем. Экспертная система считается созданной, если сформули­рован набор эвристических правил, на основании которых можно принять решение (при синтезе или анализе системы) и сделать выводы. Сбор необходимого количества теоретической и практи­ческой информации, которой было бы достаточно для формирования экспертной системы - трудоемкая и тяжелая задача, так как информация находится в разрозненном виде, постоянно обновляется и подразумевает систематический обзор литературы и критический ее анализ специалистом высокого уровня знаний в определенном направлении техники.

Первая экспертная система для оптимального синтеза сис­темы РТО была создана под руководством Э. Шиуббы в 1999 году и явилась предпосылкой широкому внедрению автоматизированного проектирования (синтеза и оптимизации) в «pinch»-анализ.

В основу экспертной системы положены «13 руководящих принципов проектирования на основе Второго закона термоди­намики». Для использования в экспертной системе некоторые прин­ципы получили категорические формулировки:

Правило 1. Число регенеративных теплообменников как самостоятельных элементов в системе РТО должно быть близко к числу Гохманна NHen, определяемому как

XHEN =NC+NH+ Nad_c + Nad_h -1, (9.28)

Где Nhen - число холодных потоков; NH - число горячих потоков; Nc - число холодных потоков; NAd-c - число внешних источников для охлаждения (традиционно принимают NAd-c - 1, имея в виду охлаж­дение с помощью окружающей среды); NAD, H - число внешних источ­ников для нагрева.

Правило //. Тепловой поток от холодного потока к горячему запрещен.

По своей сути Правило II является одной из формулировок Второго закона термодинамики. Оно встречалось в виде Совета 1 и Совета 6 в «Советах проектировщику» (п.2.4), а также в виде Принципа 13 из «Руководящих принципов...».

Правило III. Нагрев предварительно охлажденного потока запрещен.

Правило IV. Охлаждение предварительно нагретого потока запрещено.

Правило V. Охлаждение горячих потоков до «ріпсЬ»-точки посредством внешней охлаждающей среды запрещено.

Правило VI. Нагрев холодных потоков ниже «ріпсЬ»-токи посредством внешнего греющего источника запрещен.

Правила V и VI описывают рациональное использование внешних горячих и холодных потоков.

Правило VII. Конфигурации систем РТО, в которых встре­чаются РТО с температурной разностью большей максимально допустимых значений, исключаются из дальнейшего рассмотрения.

Правило VIII. Конфигурации систем РТО, в которых встречаются РТО с температурной разностью меньше минимально допустимых значений, исключаются из дальнейшего рассмотрения.

Эти два правила подразумевают, что на этапе проектирования инженер-проектировщик должен определиться с выбором типа теп­лообменной поверхности регенеративного теплообменника (рис.9.3), соответственно для этой конструкции будут известны ЛТтіп и АТтах.

Правило IX. Для формирования соединения потоков в РТО всегда необходимо соединять тот горячий и тот холодный потоки, для которых температура входа горячего потока в РТО максимально приближена к температуре выхода холодного потока.

Это правило относится к формированию подсистемы РТО выше «ріпсЬ»-точки.

Правило X. Для формирования соединения потоков в РТО всегда необходимо соединять тот холодный и тот горячий потоки, для которых температуры выхода холодного потока из РТО максимально приближена к температуре входа горячего потока.

Это правило относится к формированию подсистемы РТО ниже «pinch »-точки.

Правило XI. Смешение потоков запрещено.

Правило XII. Не отказываться от использования внешних источников тепла и охлаждения.

Правило XIII. Отказываться от соединения потоков, имеющих большую разницу между величинами полных теплоемкостей.

Правило XIV. Минимизировать использование промежуточ­ных теплоносителей при осуществлении теплообмена между двумя потоками.

Правило XV. Экономическая эффективность работы тепло - обменного аппарата обратно пропорциональна термодинамической.

Правило XVI. Минимизировать случаи дросселирования рабочего вещества перед РТО.

Правило XVII. Степень необратимости процесса в РТО является функцией величины массового расхода рабочего вещества каждого потока.

Правило XVIII. При проведении проектной оптимизации необ­ходимо использовать упрощенный эксергетический метод.

Правило XIX. В практической работе инженер-проектировщик должен использовать только те методы, основанные на Втором законе термодинамики, которые являются актуальными при решении конкретной задачи.

Теперь, в качестве примера рассмотрим систему РТО, состоящую из 2 холодных и 2 горячих потоков (таблица 9.4 и рис.9.19а).

На основании правила I NHen=5, так как предполагается использовать один внешний нагревающий и один внешний ох­лаждающий источник. Обобщенная линия горячих потоков состоит из трех фрагментов: в диапазоне температур 450...400К она соот­ветствует только потоку Н4, в диапазоне 400...350К обоим горячим потокам, в диапазоне 350...310К - только потоку HI. Аналогично обобщенная линия холодных потоков также состоит из трех фрагментов: в диапазоне температур 300...330К она соответствует только потоку С2, в диапазоне 330...370К - обоим холодным потокам, в диапазоне 370...390К - только потоку С2. При AT^n-10 град, «pinch»-точка для холодных потоков соответствует 7с, ршсй=ЗЗОК, «ріпс1і»-точка для горячих потоков 77#>/ч>1С/1=340К, следовательно, значение Tpinch=335К будет соответствовать понятию «ріпсЬ»-точки системы РТО.

Тепло, которое необходимо отвести с помощью внешней охлаждающей среды <2с=6кВт; тепло, которое необходимо подвести от внешнего источника тепла (2я=48 кВт; а 322 кВт будут переданы от горячих потоков к холодным исключительно путем регенерации.

Таблица 9.4

Поток

Температура входа, Tfn» К

Температуры выхода,

Touf> К

Тепловая производи­тельность, М с„, кВт/К

Горячий HI

400

310

2,0

Холодный С2

300

390

1,8

Холодный СЗ

330

370

4,0

Горячий Н4

450

350

1,0

310

Оптимальный вариант синтеза системы РТО с точки зрения термоэкономики (при использовании компьютерного моделирования на основании эксперной системы) представлен на рис.9.20.

Многочисленные работы по синтезу и оптимизации систем РТО, в т. ч. «ріпсЬ»-методом показали, что анализ, синтез и оптимизация методами термоэкономики являются наиболее эффек­тивными и жизнеспособными, а разработка и углубление эвристичес­ких правил позволяет существенно ограничить перебор возможных вариантов для выявления высокоэкономичных конфигураций систем

РТО.

Простейшая машина

Схема и цикл простейшей холодильной машины (рабочее вещество R-717) с набором исключительно основных элементов приведены на рис. 10.1. На термодинамический цикл холодильной машины такие вспомогательные элементы как линейный ресивер, маслоотделитель, запорные вентили влияния не оказывают, поэтому их изображение для выполнения теплового расчета обязательным не является.

Тепловой расчет осуществляется по следующему алгоритму: 1. Удельные характеристики цикла

1.1. удельная массовая холодопроизводительность

Q0=hj-h4 , кДж/кг; (10.1а)

1.2. удельная объемная холодопроизводительность

Qv=q0/v} , кДж/м3; (10.2)

Системы регенерации тепла

В)

1.3. удельная адиабатная работа компрессора w~h2 - hj, кДж/кг;

1.4. удельное тепло, отведенное в конденсаторе (для расчета тепло­вого насоса),

QK ~h2 - h3 , кДж/кг; (10.4)

(10.3)

2. Массовый расход рабочего вещества (в литературе прошлых лет изданий обозначено как Ga)

Кг/с;

Яо Qk

(10.5а)

Для холодильной машины

(10.56)

Для теплового насоса

Ма =—кг/с; Як

3. Действительная объемная производительность компрессора

^=Mflv7,M3/c; (10.6)

4. Коэффициент подачи компрессора

Л=АС-Л1, (10.7)

Где

Лс - коэффициент подачи, учитывающий влияние «мертвого пространства»,

Г

Рк ~

А,. -1-е

(10.8)

V Ро j

Здесь

С - относительная величина «мертвого пространства», зависящая от типа и размеров компрессора, конструкции клапанов и режима работы, с = 0,015 ...0,05;

Т - показатель политропы обратного расширения из «мертвого пространства». Величину т необходимо принимать: т=1,0 ... 1,05 (для рабочих веществ HFC - и HCFC-типа); т=1,05 ... 1,15 (для R-717). A'w - коэффициент, учитывающий объемные потери, вызванные дросселированием пара в клапанах, подогревом пара от стенок цилиндра в процессе всасывания, перетеканием из полости сжатия в полость всасывания в результате внутренних неплотностей

XL

(10.9а)

Для R717;

5. Теоретический объем, описанный поршнями компрессора (по величине Vh осуществляется подбор компрессора по каталогам. Эта же величина является основной для проектирования компрессора)

(10.10)

6. Адиабатная мощность компрессора

Na=Ma 'V;,kBt;

7. Индикаторная мощность компрессора

N

(10.11)

(10.12)

N:^—2- , кВт; Пі

Где г/, - индикаторный КПД,

Rjt^ + bto, (10.13)

Здесь

T0 - температура кипения (в і рад ус ах Цельсия с соответствующим знаком); Ъ - коэффициент Ъ =0,001 (R717), Ь =0,0025 (рабочее веще­ство HFC - HCFC-типа).

8. Мощность трения

Nmp=Vk-Pimp, кВт, (10.14)

Где

Pimp ~ среднее индикаторное давление трения (Глава 8), Pimp = 50 ... 70 кПа (R-717, R-22, R-744),/?/mp = 30 ... 50 кПа (R-134 и другие рабочие вещества HFC - HCFC-типа). Перевод значения рітр в другие единицы измерений не требуется. Методика подразумевает использовать эти значения в кПа.

9. Эффективная мощность компрессора (мощность на валу компрессора)

— Nmp + Nt, кВт; (10.15)

10. Электрическая мощность компрессора (мощность, потребляемая электродвигателем из сети)

N ЭД, кВт, (10.16)

W эл. дв

Где

Лэл. дв - КПД электродвигателя.

Электродвигатель подбирают по каталогам (см. приложение) по номинальной мощности и частоте вращения вала. Номинальная мощность электродвигателя N3Jt^ должна быть равной или превышать эффективную мощность компрессора Ne.

11. Термодинамическая эффективность машины в целом:

11.1. Теоретический коэффициент преобразования

СОРтеор=^. (10.17)

W

11.2. Коэффициент преобразования цикла Карно

СОРКарш>= Т™ . (10.18)

Ср 1 хол

Если Тхол и Тср являются известными или

СОРКарпо=~^-. (10.19)

1 к 1 о

11.3. Теоретическая степень термодинамического совершенства

СОР

Пгеор =------ (10.20)

СОР

Карло

11.4 Действительный коэффициент преобразования

• для холодильной машины СОР%%ств = ; (10.21 а)

• для теплового насоса СОРЇеийст« . (10.22а)

Ne

11.5. Действительная степень термодинамического совершенства

СОР

^действ =---- ёейств_ (10.23)

СОР Карно

разное

Качественная автономная канализация для загородного дома от грамотных специалистов фирмы «Дом Экологии»

Квалифицированные инженеры, работающие в компании «Дом Экологии», советуют владельцам частных домов либо коттеджей заказать услугу по установке автономной канализации, которая требует минимального обслуживания. Уже многие клиенты, посетившие раздел http://www.osk-ekoline.com.ua/avtonomnaja-kanalizacija-polijetilen.html, смогли …

Преимущества зеркальных шкафов в интерьере

Не секрет, что шкаф-купе — мебель довольно габаритная, так как его объемы должны предусматривать размещение множества вещей. Однако зачастую это отрицательно сказывается на визуальном восприятии небольшого помещения.

Дизайнерские радиаторы из чугуна от radimaxua.com

Интернет-магазин radimaxua.com предлагает широкий ассортимент дизайнерских радиаторов из чугуна, выпускаемых под брендом RETROstyle. Изготовлением декоративных радиаторов занимаются европейские заводы.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.