Курсовая работа по дисциплине:

«Судовые холодильные установки»
на тему

«Расчет парожидкостных компрессионных трансформаторов тепла»
Содержание

1. Назначение и краткое описание трансформаторов тепла.

Трансформаторами тепла (или термотрансформаторами) называю­тся технические системы, в которых осуществляется отвод энергии в форме тепла от объектов с относи­тельно низкой температурой к при­емникам тепла с более высокой температурой .Такое преобразова­ние, называемое в технике повыше­нием потенциала тепла, не может, как следует из термодинамики, про­исходить самопроизвольно. Для по­вышения потенциала тепла необхо­дима затрата внешней энергии того или иного вида: электрической, ме­ханической, химической, кинетичес­кой энергии потока газа или пара и др.

Процессы повышения потенци­ал тепла классифицируются обычно в зависимости от положения температурных уровней: верхнего — теплоприемника Т_В и нижнего — теплоотдатчика Т_Н по отношению к температуре окружающей сре­ды Т_ОС, принимаемой в большин­стве случаев равной 20° С (293 К).

В том случае, когда температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды Т_Н<То.с, а теп­лоприемника равна этой температу­ре Т_В = Т_ОС, осуществляющая отвод тепла система (трансформатор теп­ла) называется рефрижератором (класс R — от английского слова refrigeration — охлаждение)

При Т_В Т_ОС соответ­ствующий трансформатор тепла на­зывается тепловым насосом (класс Н — от английского слова heat — тепло)

При Т_В Т_ОС и Т_В Т_ОС транс­форматор тепла осуществляет обе функции — и рефрижератора, и теп­лового насоса; он называется ком­бинированным (класс RH).

В основном работа рефрижера­тора заключается в выработке хо­лода, т. е. отводе в окружающую среду тепла от объектов, температу­ра Т_и которых ниже температуры окружающей среды. В зависимости от уровня Т_Н рефрижераторы де­лятся на две подгруппы: при Т_В 120 соответствующие системы называются холодильными, при Т_Н<120 К — криогенными.

Теплонасосная система предназ­начена для использования тепла, отводимого от окружающей среды или другого низкопотенциального источника (например, отработавшей воды или пара), для бытового или технологического теплоснабжения— подвода тепла при Т_В>Т_ОС. Обычно Т_В не превышает 400—450 К, по­скольку тепло более высокого по­тенциала, как правило, выгоднее получать при использовании хими­ческого или ядерного топлива.

На рис.1 показаны характер­ные температурные зоны использо­вания трансформаторов тепла раз­личного назначения.

Теплоприемником — охлаждаю­щей средой, к которой отводится тепло от охлаждаемого объекта, в рефрижераторных системах служит обычно окружающая среда (атмо­сферный воздух или вода), в теплонасосных и комбинированных си­стемах отапливаемые помещения или обогреваемые элементы техно­логической аппаратуры.



Рис.1 Температурные зоны использова­ния трансформаторов тепла различного на­значения

Очевидно, что процессы во всех трансформаторах тепла трех опи­санных видов (R, Н и RH) незави­симо от конкретной схемы должны моделироваться обратными термо­динамическими циклами. В общем виде такие обратные циклы на Т, s -диаграмме показаны на рис. 2

Процессы 1-2, характеризуемый отводом тепла и уменьшением эн­тропии, 3-4, характеризуемый под­водом тепла и возрастанием энтро­пии, а также 2-3 и 4-1, происходя-щие соответственно с понижением и повышением температуры рабоче­го тела, могут проводиться самыми разными способами и с использова­нием различных рабочих тел. Одна­ко во всех случаях изменения энтро­пии и температур, перечисленные выше, неизбежно осуществляются.

Особое значение в трансформа­торах тепла имеет процесс 2-3', свя­занный с понижением температуры до самой нижней точки цикла Т'₃, его рассмотрению будет уделено в дальнейшем особое внимание. Наи­более простым эталоном цикла трансформатора тепла может слу­жить обратный цикл Карно. Но на практике для трансформации тепла обычно используются другие циклы и процессы, существенно отличаю­щиеся от цикла Карно. Причина этого не только в том, что систему, в которой бы протекал реальный цикл, близкий к циклу Карно, труд­но реализовать на практике, но и в том, что существуют и другие цик­лы (в частности, с регенерацией), которые позволяют при прочих рав­ных условиях обеспечить более вы­сокую эффективность системы тран­сформатора тепла. Кроме того, не­которые процессы трансформации тепла, производимые, например, по­средством полупроводниковых тер­моэлементов, протекают вообще без каких-либо циклов. Однако их ко­нечные термодинамические показа­тели определяются, естественно, те­ми же значениями, что и для обрат­ных циклов.



Рис. 2 Принципиальная схема циклов трансформаторов тепла на Т, s-диаграмме.

а — рефрижератор; б — тепловой насос; в — комбинированный трансформатор тепла.

2. Исходные данные для расчета

Холодопроизводительность Q₀=69,75 кВт;

Температура охлаждаемой среды на входе в испаритель Т_н1=-8 ⁰С;

Температура охлаждаемой среды на выходе из испарителя Т_н2=-15 ⁰С;

Температура охлаждаемой среды на выходе из конденсатора Т_в1=26 ⁰С;

Температура охлаждаемой среды на входе в конденсатор Т_в2=20 ⁰С;

ΔТ_к1=5 ⁰С;

ΔТ_и=3 ⁰С;

Объемная подача V₀=11 м³/ч.

3. Описание расчетной схемы

Рис. 3 Принципиальная схема и процесс работы реального компрессионного трансформатора тепла.

а) – Принципиальная схема б) – Т-S диаграмма


Установка работает следующим обра­зом. Тепло от теплоотдатчика подводится к рабочему агенту в испарителе VI. В ре­зультате подвода тепла рабочий агент ки­пит в испарителе при давлении Р₀ и тем­пературе Т_0. Пар, полученный в испарите­ле, поступает в отделитель жидкости V, где он освобождается от капель влаги, а затем засасывается компрессором.

В компрессоре пары рабочего агента сжимаются с давления Р₀ до давления Р_к Температура конденсации пара при этом соответственно повышается с Т₀ до Т_к.

Из-за трения и необратимого теплооб­мена процесс сжатия в компрессоре 1-2 не совпадает с изотропным сжатием 1-2'.

Из компрессора пар поступает в кон­денсатор II, где в результате отвода тепла к теплоприемнику происходят охлаждение рабочего агента и конденсация пара.

Жидкий хладоагент при давлении Р_к и температуре Т_к проходит через дроссельный вентиль IV, где в результате дросселирования давление рабочего агента падает с Р_к до Ро и температура снижается. При этом рабочий агент частично испаряется. После дрос­сельного вентиля охлажденный рабочий агент проходит через отделитель жидкости, в котором производится отделение жидкой фазы от паровой. Жидкий агент поступает в испаритель VI, где к нему подводится тепло q₀ теплоотдатчика (объекта охлаж­дения), полученный пар отводится непо­средственно во всасывающий патрубок.

4. Расчет аммиачной одноступенчатой холодильной установки.

Определим температуры испарения и конденсации:

=-= -18 ⁰С;

=+=31 ⁰С.

Находим параметры рабочего агента в характерных точках схемы по термодинамической диаграмме или по таблицам аммиака:

1. 
   Т₁=Т₀= -18 ⁰С=255 К;
   

=0,22 МПа;

=0,58 м³/кг;

=1662 кДж/кг.

2. 
   =1,2 МПа;
   

=1925кДж/кг;

Т₂=110 ⁰С=383 К.

3. 
   Т₃=Т_К =31 ⁰С=304 К;
   

=1,2МПа;

=566кДж/кг.

4. 
   Т₄==255 К;
   

=0,22МПа;

=566 кДж/кг.

По формуле находим энтальпию рабочего агента

на выходе из компрессора:

кДж/кг.

Находим удельную работу компрессора l_i:

;

кДж/кг;

;

кДж/кг.

Определяем удельный расход тепла на единицу расхода рабочего агента:

- в испарителе: =1662-566=1096 кДж/кг;

- в конденсаторе: =1990,75-566=1424,75 кДж/кг;

Проверяем энергетический баланс по формуле:

;

1096+328,75=1424,75;

1424,75=1424,75.

Массовый расход рабочего агента:

=69,75/1096=0,06 кг/с;

Объемная производительность компрессора:

м³/с;

Расчетная тепловая нагрузка конденсатора:

кДж/с;

Электрическая мощность компрессора:

=21 кВт;

- удельный расход электрической энергии на выработку холода – безразмерная величина, определяемая по формуле:

;

=0,3

Холодильный коэффициент и КПД рефрижераторной установки определяются по формулам: =1/0,3=3,3

=0,4

Средняя температура хладоагента может быть определена по формуле:

;

К;

Удельный расход электрической энергии в идеальном цикле:

=0,12;

Эксергетический КПД холодильной установки:

0,40.

Значения эксергий рабочего агента в характерных точках процесса могут быть определены по e, i – диаграмме или формуле:



Значения основных параметров рабочего агента в характерных точках процесса заносим в таблицу:

Номера точек	Давление , МПа	Температура , К	Энтальпия ,	Энтропия ,	Эксергия ,
1 2 3 4	0,22 1,2 1,2 0,22	255 409 304 255	1662 1990,75 566 566	9,1 9,26 4,73 4,80	107 389 291 271

Составим эксергетический баланс для расхода рабочего агента.

Удельное количество эксергии, вводимое в установку в виде

электрической энергии, подведенной к электродвигателю компрессора:

=21/0,06=350 кДж/кг;

Удельные электромеханические потери в компрессоре:

=35 кДж/кг

1. 
   Внутренние потери в компрессоре.
   

В компрессор подводятся 2 потока эксергии: электрическая энергия

и эксергия потока всасываемого рабочего агента ; из компрессора отводится эксергия потока рабочего агента . Следовательно, внутренние потери эксергии в компрессоре:

=315+107-389=33 кДж/кг;

3. Потеря эксергии в конденсаторе состоит из двух слагаемых: эксергии, отводимой охлаждающей водой, и эксергии, теряемой из-за необратимого теплообмена между рабочим агентом и охлаждающей водой.

Эксергия, отданная хладоагентом:

=389-291=98 кДж/кг;

Эксергия, полученная охлаждающей водой, приближенно определяется по формуле:

=10 кДж/кг

где - коэффициент работоспособности отводимого тепла, который определяется по формуле:

=1-293/298=0,007

Т_В.СР – средняя температура хладоагента в конденсаторе:

;

=295 К.

Эксергия, теряемая из-за необратимого теплообмена между рабочим агентом и охлаждающей водой:

=98-10=88 кДж/кг;

Так как эксергия охлаждающей воды после конденсаторов компрессионных установок обычно не используется, то суммарные потери эксергии в конденсаторе составят:

=88-10=78 кДж/кг;

2. 
   Потеря эксергии в дроссельном вентиле:
   

=20 кДж/кг;

3. 
   Отвод эксергии в испарителе:
   

=164 кДж/кг;

Отвод эксергии в испарителе равен эксергии холода, произведенного в испарителе:

;

Из эксергии, отводимой в испарителе, используется в виде эксергетической холодопроизводительности эксергия:

-131,5 кДж/кг;

- коэффициент работоспособности полученного холода, определяемый по формуле:

=1-293/261= -0,12;

Остальная эксергия теряется из- за необратимого теплообмена в испарителе:

=164+131,5=295,5 кДж/кг.

Удельный баланс эксергии рассматриваемой холодильной установки:

Подвод эксергии			Отвод эксергии
Параметр	кДж/кг	%	Параметр	кДж/кг	%	По отношению к эл. энергии, %
Эл. энергия на компрессор	350	100	Эл.мех.потери	35	5,9	10
			Внутр. потери на компрессоре	33	5,7	9,4
			Потери эксергии в конденсаторе	78	13,1	22,3
			Потери эксергии в дросселе	20	3,4	5,7
			Потери в испарителе	295,5	49,8	84,4
			Эксергетическая холодопроизводительность	131,5	22,1	37,5
Всего	350	100		593	100	169,3

5. Подбор поршневого компрессора.

Заданы:

Параметры всасывания:

=0,22 МПа;

=255 К;

=0,58 м³/кг

Давление нагнетания: =1,2 МПа;

Температура конденсации =304 К;

Расчетная объемная подача =11 м³/ч.

1. 
   Объемный коэффициент, учитывающий влияние вредного пространства:
   

;

=0,91;

где с = 0,03 – коэффициент вредного пространства;

m=1,3 – показатель политропы расширения.

2. 
   Коэффициент подогрева:
   

=0,83;

Коэффициент плотности принимается равным

3. 
   Объемный коэффициент подачи компрессора:
   

=0,74.

4. 
   Объем, описываемый поршнями компрессора:
   

=14,8 м³/ч;

5. 
   За основу принимаем серию компрессоров с ходом поршня L = 0,07 м; и диаметром цилиндра Д = 0,08 м при частоте вращения коленчатого вала . Тогда число цилиндров компрессора: и округляем его до ближайшего целого числа:
   

=8

6. 
   Выбираем по таблицам поршневых компрессоров, например, восьмицилиндровый компрессор марки АУУ – 90. Производительность этого компрессора составит при :
   

;

=110 м³/ч;

Индикаторный КПД

=0,81.

Заключение.

В ходе данной курсовой работы была рассчитана схема аммиачной одноступенчатой холодильной установки с охладителем хладоагента, составлен эксергетический баланс установки и определены потери эксергии в отдельных ее элементах. В заключение был подобран поршневой компрессор и определены его объемные и энергетические коэффициенты. Результаты работы отражены в графической части, в которую входят основные диаграммы и расчетная схема установки.

Литература

1. 
   Добровольский А.П. Судовые холодильные установки.
   
2. 
   Соколов В.Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессы охлаждения.
   
3. 
   Стенин В.А., Матвиенко С.И. Холодильные машины и установки. Методические указания.