разное

Термоэкономическая оптимизация универсальной машины

Регенеративный цикл воздушной машины имеет преимуще­ства при больших интервалах температур между Тср и Тхол. Высокие значения rjстс при 7^л«Гср создают благоприятные предпосылки в использовании регенеративного цикла для воздушных тепловых насосов (Тср«Тгор) при производстве тепла, например, на уровне 7^=110 ... 140°С. Перспективным также является использование регенеративного цикла для теплофикационной воздушной машины. Производство холода в воздушной холодильной машине осуще­ствляется при переменной температуре, что создает предпосылки к ее использованию для многотемпературных охлаждаемых объектов, например, при одновременном хранении: мороженых продуктов (-20°С), охлажденных продуктов (-Ю...0°С), сочной растительной продукции (0...5°С), охлажденных жидкостей (5...10°С) и кондиционирования воздуха (Ю...15°С). Аналогично возможно создать воздушный тепловой насос для многотемпературных нагреваемых объектов.

На кафедре холодильных машин ОГАХ в начале 2000-ых го­дов Л. И.Морозюк и Л. В.Ястребова предложили новую оригинальную

Этот пример еще раз подтверждает вывод о том, что корректный выбор цикла - образца для проведения термодинамического анализа оказывает значительное влияя - ние на оценку величины степени термодинамического совершенства машины.

Рис.18.11. Оригинальная регенеративная воздушная машина, работающая в любом режиме (холодильной машины, теплового насоса или теплофикационной машины): а) схема; б) цикл

Схему и цикл воздушной холодильной машины (теплового насоса, теплофикационной машины) - рис. 18.11.

Все процессы в машине протекают при давлениях выше атмос­ферного. Машина работает следующим образом. Воздух, забираемый из окружающей среды, сжимается компрессором. Поток горячего воздуха с давлением выше атмосферного направляется в двухсекцион­ный регенеративный теплообменник, где ступенчато охлаждается вначале до температуры, равной Тср, а затем - до более низкой температуры Т3ч которая и определит наинизшую температуру в цикле Т4 (после расширения воздуха в детандере). Процесс 4-5 - производство холода при переменной температуре от Т4 до Т5 происходит в рефрижераторе. После выхода из рефрижератора воздух последовательно нагревается в двух секциях РТО до наивысшей температуры в машин (Т6). Если машина предназначена исключи­тельно для производства холода, то воздух в состоянии, соответст­вующем точке б, возвращается в окружающую среду. Если машина работает в режиме теплового насоса или теплофикационной машины, то в процессе 6-7 производится полезное тепло при переменной температуре от Т6 до Т7.

1-2*-3*-4*-5*-6*-7-1 - теоретический цикл машины; 1-2-3-4-5- 6-7 - действительный цикл с учетом необратимостей во всех элементах машины. Для выполнения термодинамического анализа все необратимости, обусловленные наличием разности температур в
теплообменных аппаратах, будут представлены через ЛТЬ а необра­тимости, обусловленные присутствием аэродинамических сопротив­лений - коэффициентами восстановления полного давления ок.

Выражение для определения СОР действительного цикла без регенерации записывается как

Т3 тм

CQpteucme = -------------------- Ц---- vw------ yj _ N, (18.31)

Т, т,

Где точка N соответствует концу обратимого процесса расширения в детандере 3-N, точка М - концу обратимого процесса сжатия в компрессоре 1-М (точки NhMhzl рис. 18.11 не показаны).

Для проведения термодинамического анализа в терминах энтропийно-циклового метода, необходимо «перенести» все необрати­мости, возникающие в машине, на необратимости процессов расшире­ния и сжатия, тем самым, упростив анализ до случая, описанного в п. 18.4.5. Введем обозначения

Т* Тси + ЛТ2

= -2--------- - , (18.32)

Т; Тхол-ЛТ}

И

І3- = ЇК. = Я~Т =а, (18.33)

Тм Т,

Где ЛТ2= АТ'2 + АТ"2 и ЛТ,= AT', + AT",.

Величины AT'), АТ'2 представляют необратимости, обуслов­ленные наличием разности температур; величины AT"/, АТ"2 - необра­тимости, обусловленные присутствием аэродинамических сопротив­лений, при «переносе» их на дополнительные величины разности Р2

Температур; я - в теоретическом цикле.

Pi

Совместное решение ур.(18.31) с ур.(18.32) и (18.33) имеет вид

СОР™ = ——-. (18.34)

При оптимизации величина b (ур.(18.32)) может быть принята постоянной, тогда в результате оптимизации можно будет определить

Все переменные, при которых СОРхмСтв =max • Если предположить, что величина b переменная, то в результате оптимизации можно определить переменные, при которых масса теплообменных аппара­тов машины будет минимальной (М=тш), или суммарное аэродина­мическое сопротивление в машине будет минимальным (Дрш-тіп).

Совместный анализ величин СОР^м™» М и 4у tot (после оптимизации) определит термодинамическую эффективность маши­ны, а также величины капитальных и эксплуатационных затрат, т. е. термоэкономическую эффективность машины.

Величина а для проведения оптимизации также может быть постоянной либо переменной. При оптимизации цикла с целью опре­деления M-min и Арш-тіп величина а - постоянная. При оптимиза­ции цикла с целью определения СОР^ств = max, выражение для определения а имеет вид

ЧдЪ

Если величины b и а заданы, то при условии СОР^м™ = max температура Тм определяется как

Г* (2.36)

А

Для разомкнутого цикла следует учесть, что Т3=Тср, ЛТ2=0, Ь-Тср/1) и

7м=TV-

Выражение для СОР регенеративного цикла с целью дальней­шего анализа рационально записывать как

NrkJ>deucme _ аі(ТХОД + ЛТ3 Тм ) ЛТ3______

СОРш - --------------------------- ,(18.37)

11* \1ср Ш4 ) лгг „ >

Где

Тхм + АТ3 - Т5 т2. - ( Тср-ЛТ4)

„ -------- 1---- і. и л =--------------------------- £---------- .

Д ТХОЙ + АТ3-Тм, км Т2-(Тср-АТ4)

Принимая во внимание зависимость между Т2* и Тм, перепи­шем ур.(2.37) следующим образом

АТ3

А, --

СОРшСтв =----- ^ 3---- —. (18.38)

А2тм

При проведении оптимизации с целью определения СОРхмств = fficix величины г}д и Цкм, а также Тход и Тср принимают постоянными, тогда величина Тм будет иметь строго соответствующее значение. Для определения характеристик цикла, при которых M-min и Aptot-min, величины г\д и цкм, а также Тхш и Тср (все или некоторые из них) должны быть приняты переменными.

В обобщенном виде функция для определения эффективности любой схемы воздушной машины имеет вид

COpdeucme = ЛТь аь щ ПД} Цш) (18 39)

Определение характеристик термодинамического цикла, соответствующего условию СОРхм°тв = тах позволяет выявить предельные возможности воздушной машины для корректного сравнения ее с другими машинами.

В качестве иллюстрации рассмотрим характеристики цикла воздушной машины (рис. 18.11) для условий работы в составе системы кондиционирования воздуха в летнее время: Тхол-= 23°С, ГФ=32...47°С, 2...5, 7^=0,75... 1,0, 7/йи=0,8...1,0. Для всех теплообменных аппаратов АТ^5 град и 93...0,995.

Результаты расчетов в графическом виде представлены на рис. 18.12. Видно, что аэродинамические сопротивления в теплообменных аппаратах не оказывают значительного влияния на СОР. При низких значениях Цд, г/ш и изменение величин п и Тср практически не оказывают влияния на изменение величины СОР, которая в диапазоне изменения параметров термодинамического цикла остается почти постоянной.

А) б) в)

Рис. 18.12. Результаты расчетов схемы, изображенной на рис.18.11: a) COP-fiTcp)\ б) СОР=Дя)\ в) СОР= j{цд, Цкму, зона 1 - IcTk-l, Цкм-h верхний предел л-2, нижний предел 71=5',

Зона 2 - £сгк=0,9, цд=0,9, Цкм-0,9, верхний предел ж-2, нижний 7Г=5; зона 3 - Еак=0,8, г\д=0,8, т]Ш=0,8, верхний предел 71=2, нижний тс=5\ зона 4 - Uak=l, Цд-U Цкм-1, верхний предел Тср=27Х^у нижний Тср=47°С\ зона 5 - Eak=0,8, ^=0,8,^^=0,5,верхний предел Тср=27, нижний Тср=47[53]С\ зона 6 - изменение Есгк при тг=2,верхний предел Тср=27, нижний Тср=47Х^\ зона 7 - изменение гід при 7Г=2,верхний предел Гс/,=27, нижний Тср=47Х^\ зона 8 - изменение г/ш при ^=2,верхний предел Тср=27, нижний Тср=479С.