разное

Научные исследования

Исследования каскадных холодильных машин длительное время проводились на кафедре холодильных машин ОГАХ[46]. В результате исследований были получены патенты на новые схемные решения низкотемпературных каскадных холодильных машин, в основе которых лежала система регенеративного теплообмена между каскадами. На основании этих исследований была создана обобщенная схема каскадной холодильной машины, которая подверглась исследованиям с применением методов современной прикладной термодинамики.

Поскольку низкотемпературная каскадная холодильная машина может состоять из двух двухступенчатых машин, представ­ляющих каждый каскад, то максимальное суммарное количество сту­пеней сжатия - четыре. Предлагаемая обобщенная схема холодильной машины состоит из четырех ветвей (рис. 15.3).

В качестве термодинамического цикла каждой ветви (каскада или ступени каскада) использован цикл Планка с действительным процессом сжатия. Для случая многоступенчатого сжатия (например, четырехступенчатого[47]) теплообменные аппараты между ветвями (ТО - IV, ТО-УП и ТО-Х) выполняют функции промежуточных сосудов, где осуществляется полное промежуточное охлаждение. При этом во всех ветвях машины циркулирует одно рабочее вещество. При рассмот­рении многокаскадной холодильной машины (например, четырехкас - кадной) эти теплообменные аппараты выполняют функции испари - телей-конденсаторов, а в каскадах машины циркулируют различные рабочие вещества.

Результаты сравнительного эксергетического анализа между одноступенчатой, двухступенчатой и каскадной (каждый каскад представляет одноступенчатую машину) холодильными машинами приведен на рис. 15.4.

Влияние наличия разности температур в теплообменных аппаратах (деструкций эксергии) на величину эксергетической эффек­тивности є каскадной холодильной машины приведен на рис. 15.5.

Особый интерес представляет анализ избыточной системы регенеративного теплообмена для обобщенного случая четырехкадной холодильной машины (рис. 15.6). Четыре «горячих» потока высокого давления С = {Си С2, Сз, С4} взаимодействуют с четырьмя «холод­ными» потоками низкого давления F = {F]f F2, F3, F4) с образованием максимально возможного числа регенеративных теплообменников. Все входные характеристики определяются термодинамическими параметрами точек в цикле, а выходные - на основании тепловых балансов РТО. Каждый «холодный» поток из множества Ft после­довательно взаимодействует с «горячими» потоками из множества С,. Вначале регенеративный теплообмен осуществляется в РТО типа «пар-жидкость», затем - в РТО типа «пар-пар».

Рис Л 5.5. Анализ влияния необратимости в основных теплообменных аппаратах каскадной холодильной машины на эксергетическую эффективность машины є (Тср = 25°С, ТХОД = -80°С, Q0 = 2,5 кВт)

В общем случае задача оптимального синтеза системы реге­нерации тепла заключается в определении такого распределения потоков по РТО, при котором величина объективной функции оптимизации для каскадной холодильной машины стремилась бы к минимуму, при максимально возможном значении є.

Исходя из этого, сформулируем требования к синтезу систе­мы регенеративного теплообмена:

• в каждом РТО происходит максимально возможная передача тепла;

• не допускается разделение потоков на параллельные, что при­водит к избыточному количеству вспомогательного оборудования (массовый расход рабочего вещества через все элементы одного каскада одинаковый);

• для каждой пары потоков в РТО должны выполняться условия физической и технической реализуемости в сочетании с минимально возможными значениями деструкции эксергии, т. е. минимально реальными значениями разностей температур на теплопередачу в каждом РТО;

• каждый возможный вариант взаимодействия потоков в РТО должен соответствовать такой структуре машины, когда каждый поток участвует в процессе теплообмена только один раз;

• все вспомогательные операции над обобщенной схемой (раз­рывы рециклов, объединение и разьединение потоков, декомпозиция) должны проводиться без нарушения начальных условий задачи.

Система регенеративного теплообмена в холодильных маши­нах обладает рецикличностью взаимодействующих потоков. Следова­тельно, необходимо осуществить разрыв рециклов. Для научных исследований был использован следующий алгоритм. Цикл изобра­женный на рис.15.6 предусматривает соответствующую схему, путем разрыва рециклов в которой она превращается в схему, изображенную на рис.15.7. Разрыв рециклов производится при соблюдении тепловых балансов и балансов расходов рабочего вещества в точках разрыва. Первый тип разрыва для разделения потоков Сі и Fi и обеспечения парного взаимодействия производится в точках перехода потока Сі в поток Fh т. е. по дроссельным вентилям.

Второй разрыв производится в точках разделения горячих потоков на паровые и жидкостные, т. е. по конденсаторам - испарителям.

Предполагается, что читатель может изобразить схему машины по ее циклу.

В итоге получаем 4 холодных и 7 горячих потоков. Правило нумерации потоков: первая цифра - номер потока, вторая - номер предстоящего паросочетания:

• для «холодных» потоков

Fi={Fi і, Fi2,.~,F}t8Y, F2-{F2tb F2,2f—yF2j}

F3-{F3j, F3,2,.:,F3f6}; F4={F4], F4>2}.

• для «горячих» потоков

Ci-{Cijt Cii2,...,Cit4} C2={C2>i, C2>2,..;C2t4} Сз~{Сз,1> C4={C4J, C42,...,C44}-

• точки разрыва рециклов:

£5,7= C]t4 ; C6tI=C2t4 ; C7j~ Сз<4.

• для горячих паровых потоков:

С5,1 = {С 14, С із}', С6,1 —{С2,4, С2)5,С2,б}', Си = {Сзг4, С3>5,С3>б, Сзг7} ■

Дальнейшее решение задачи возможно только при использовании теоретико-графового метода представления математической модели. Для задачи синтеза системы РТО используется «двудольный тепловой граф». Задача синтеза оптимальной системы РТО решается путем редукции исходного двудольного графа (рис. 15.7) и соответствующей ему матрицы «весов», где «вес» определяется на основании расчетов по ур.(2.62).

Рис.15.7. Динамика редукции двудольного теплового графа

Редукция идет до тех пор, пока один из рассматриваемых потоков не достигнет предельных значений по вышеприведенным ограничениям. Такой поток из дальнейшего рассмотрения исклю­чается. Редукция двудольного теплового графа сопровождается пошаговым синтезом системы РТО. Пример поэтапного синтеза системы РТО (без использования численных значений целевой функции оптимизации) представлен на рис. 15.8. [48]

ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ И ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ С ЦИКЛОМ В НАДКРИТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ

При использовании низкотемпературных рабочих веществ (рабочих веществ с низкой критической температурой) для работы в условиях высоких температур окружающей среды нашли применение машины с циклом в надкритической области. Эти машины могут использоваться как в режиме работы холодильной машины, так и в режиме работы теплового насоса (предпочтительнее).

Циклы холодильных машин в надкритической области были широко описаны и изучены в 1940-50-ые годы в применении к R-744 как рабочему веществу. Впоследствии эти циклы были «забыты», в связи с появлением новых высокотемпературных рабочих веществ HFC - и HCFC-типа.

Возврат к использованию натуральных и экологически чистых рабочих веществ (R-744 один из них) для получения холода на любом температурном уровне, а также для использования в тепловых насосах
вновь поставил задачу реализации схем и циклов машин, работающих в надкритической области.

В связи с тем, что процесс отвода тепла от рабочего вещества к охлаждающей среде происходит выше критической точки, то процесс конденсации в этих машинах отсутствует. Процесс отвода тепла изо­барный, но не изотермический. Схема и цикл машины в надкрити­ческой области представлены на рис. 16.1. Рабочие давления в машине: pj - давление в испарителе и р2~ давление в теплообменнике (охладителе - в некоторых литературных источниках).