Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт энергетики Кафедра теплоэнергетики Расчет парокомпрессионного трансформатора теплоты ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к расчетно-графической работе по дисциплине Анализ эффективности работы теплоэнергетических систем 1.015.00.00 ПЗ Выполнил: Магистрант группы ЭСТм-23-1 __________ А.Д. Тарасенко Проверил: доцент кафедры ТЭ __________ В.М. Картавская Иркутск 2024 г. Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТНУЮ РАБОТУ По курсу Анализ эффективности работы теплоэнергетических систем Магистрант группы ЭСТм-23-1 Тема работы: Расчет парокомпрессионного трансформатора теплоты. Вариант 15 Исходные данные: Месторасположение трансформатора теплоты – г. Грозный. Режим работы установки – летний. Теплопроизводительность установки Q=1,1 МВт. Тепловая нагрузка – горячее водоснабжение. Холодильный агент – Аммиак (хладон R717). Число ступеней трансформатора теплоты – 1. Теплоноситель в испарителе – оборотная вода системы охлаждения. Теплоноситель в конденсаторе – водопроводная вода. Температура охлаждаемого теплоносителя в испарителе: на входе tн1=29 °С, на выходе tн2=24 °С. Температура охлаждающего теплоносителя в конденсаторе: на входе t𝑤1=5 °С, на выходе tw2=60 °С. Температура окружающей среды Тос=301 К (28 °С) с последующим уточнением. Конечные разности температур: в испарителе Δtи=5 °С, в конденсаторе Δtк=10 °С. КПД компрессора: внутренний адиабатный (индикаторный) η𝑖=0,8, электромеханический ηэм=0,9. Коэффициенты теплопередачи в испарителе и конденсаторе kи=kк=700 Вт/(м2·К) Рекомендуемая литература: 1. Картавская В.М., Коваль Т.В. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Энергетические характеристики теплоэнергетического оборудования: учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. – 196 с. 2. Картавская В.М., Спецвопросы расчетов элементов и систем производства энергоносителей. Практические занятия и самостоятельная работа студентов: учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 3. Картавская В.М. Спецвопросы расчетов элементов и систем производства энергоносителей: учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. Дата выдачи задания « » 2024 г. Задание получил А. Д. Тарасенко Дата представления работы руководителю Руководитель работы « » 2024 г. В. М. Картавская 2 Содержание Введение ....................................................................................................................... 4 1 Расчет парокомпрессионного трансформатора теплоты .................................. 5 1.1 Выбор схемы парокомпрессионного одноступенчатоготрансформатора теплоты 5 1.2 Построение цикла парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты в lg P-h диаграмме ....................................................... 6 1.3 Тепловой баланс парокомпрессионного одноступенчатого трансформатор теплоты и определение удельных тепловых нагрузок ............. 7 1.4 Определение ориентировочной поверхности нагрева испарителя и конденсатора 10 1.5 Определение эффективности использования парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты по сравнению с котельной ....... 12 Заключение ................................................................................................................ 14 Список использованных источников ...................................................................... 15 3 Введение Трансформаторы теплоты – технические системы, в которых осуществляется отвод энергии в форме теплоты от объектов с относительно низкой температурой к приемникам теплоты с более высокой температурой. Такое преобразование (трансформация) называется повышением потенциала. Оно не может происходить без затрат внешней энергии (электрической, механической, химической, кинетической энергии потока рабочего тела – газа, пара и др.) В зависимости от температуры Тв (верхнего – теплоприемника) и Тн (нижнего – теплоотдатчика) по отношению к То.с (окружающей среды) трансформаторы теплоты называют: рефрижераторами (класс R, refrigeretion – охлаждение) при Тн < То.с и Тв = То.с – отвод теплоты (охладитель – холодильник); тепловыми насосами (класс Н, heat – теплота) при Тн ≥ То.с и Тв > То.с . При Тн < То.с и Тв > То.с трансформатор теплоты (комбинированный, класс RН) осуществляет функции рефрижератора и теплового насоса. Цель расчетно-графической работы – расчет одноступенчатого парокомпрессионного трансформатора теплоты. Для этого необходимо: выбрать схему одноступенчатого парокомпрессионного трансформатора теплоты; построить цикл парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты в lg P-h диаграмме и определить: параметры холодильного агента в характерных точках процессов; удельные тепловые нагрузки, удельную внутреннюю работу компрессора и составить тепловой (энергетический) баланс; расход холодильного агента; полные тепловые нагрузки испарителя, конденсатора и регенеративного теплообменника; электрическую мощность компрессора; коэффициенты: холодильный, трансформации теплоты, работоспособности теплоты и холода; эксергетический КПД установки в режимах работы холодильной и теплонасосной установок; ориентировочные поверхности теплообмена испарителя и конденсатора; выбрать тепловой насос и определить эффективность использования парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты в режиме теплового насоса по сравнению с котельной. 4 1 Расчет парокомпрессионного трансформатора теплоты 1.1 Выбор схемы форматора теплоты парокомпрессионного одноступенчатого транс- Так как холодильным агентом является аммиак (хладон R717), число ступеней равно 1, то выбираем схему одноступенчатого парокомпрессионного трансформатора теплоты, которая состоит из компрессора, конденсатора, испарителя и регенеративного теплообменника (переохладителя) и представлена на рисунке 1 [1]. Конденсатор К предназначен для обеспечения нагрузок на горячее производственного помещения. В конденсатор поступает вода с температурой tw1 = 5 °C, на выходе из конденсатора температура воды составляет tw2 = 60 °C. В испаритель И подводится низкопотенциальная теплота – вода с температурой на входе tн1 = 29 ℃, которая охлаждается до температуры tн2 = 24 ℃ для повторного ее использования в системе оборотного водоснабждения, происходит процесс нагрева рабочего тела (хладон R717). И – испаритель; К – конденсатор; РВ – регулирующий вентиль; КМ – компрессор; ПО– переохладитель. Рисунок 1 – Схема парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты Построение цикла одноступенчатого парокомпрессионного трансформатора теплоты и определение параметров холодильного агента в характерных точках процессов показано на рисунке 2. 5 1.2 Построение цикла парокомпрессионного трансформатора теплоты в lg P-h диаграмме одноступенчатого Построение цикла одноступенчатого парокомпрессионного трансформатора теплоты (рисунок 2) проводится в следующей последовательности [1]: на диаграмму lgР-h наносят изотермы tо, tвс, tпо, tк определяющие расчетный режим работы установки; по температурам tо и tк находят соответствующие им изобары Pо и Pк; положение характерных точек процессов 1, 1', 2, 3', 3, 4 определяется процессами, из которых состоит цикл одноступенчатой холодильной установки (рисунок 2): 4-1' – испарение хладоагента в испарителе И при Pо и tо; 1'-1 – перегрев паров хладагента на всасе компрессора КМ при давлении Pо за счет теплоты окружающей среды; 1-2 – адиабатное сжатие паров хладоагента в компрессоре КМ до давления Pк; 2-3' – отвод теплоты от хладоагента в конденсаторе К при tк и Pк; 3'-3 – переохлаждение жидкого хладагента в переохладителе ПО до температуры tпо при Рк; 3-4 – дросселирование жидкого хладоагента до давления Pо в регулирующем вентиле РВ. Определяют параметры хладоагента по lgР-h диаграмме рисунок 2) в ха рактерных точках процессов и заносят их в таблицу 1. Параметры точки 3 (после регенеративного теплообменника) определяются по lgP-h диаграмме [1]. Расчетные параметры холодильного агента: температура испарения t o = t н2 − ∆t и = 24 − 5 = 19 ℃, температура на всасе (перегрев паров холодильного агента – аммиака происходит за счет теплоты окружающей среды) t вс = t 0 + ∆t к = 19 + 10 = 29 ℃, температура конденсации (выше температуры охлаждающего теплоносителя) t к = t 𝑤2 + ∆t к = 60 + 10 = 70℃, температура переохлаждения t по = t к − ∆t по = 70 − 5 = 65 ℃. В точке 2′ энтальпия составит (h2 − h1 ) (1740 − 1510) h2′ = h1 + = 1510 + = 1798 кДж/кг, ηi 0,8 тогда по lg Р-h диаграмме определяем температуру в точке 2′ t 2′ = 165 ℃. Таблица 1 – Параметры хладоагента в характерных точках процессов 6 Номер точки 1' 1 2 2' 3' 3 4 Температура 𝑡, oС 19 29 145 165 70 65 19 Давление 𝑃, МПа Энтропия 𝑆, кДж/(кг ⋅ К) Энтальпия ℎ, кДж/кг 0,82 0,82 3,4 3,4 3,4 3,4 0,82 – – 5,50 – – – – 1470 1510 1740 1798 540 520 520 Степень сухости 𝑥 1 – – – 0 – – 1.3 Тепловой баланс парокомпрессионного одноступенчатого трансформатор теплоты и определение удельных тепловых нагрузок Удельного тепловая нагрузка испарителя q0 = h1′ − h4 = 1470 − 520 = 950 кДж/кг. Удельного тепловая нагрузка конденсатора qк = h2′ − h3′ = 1798 − 540 = 1258 кДж/кг. Удельного тепловая нагрузка переохладителя qпо = h3′ − h3 = 540 − 520 = 20 кДж/кг. Теплота перегрева паров холодильного агента перед компрессором qвс = h1 − h1′ = 1510 − 1470 = 40 кДж/кг. Удельная внутренняя работа компрессора lв = h2′ − h1 = 1798 − 1510 = 288 кДж/кг. qвс = qпо –см . в таблице 1 , они не равны! Много пустого места. Перенести текст со с. 9 сюда! Тепловой (энергетический) баланс парокомпрессионного трансформаторатеплоты см выше! И ниже тоже проверь! q0 + lв + qвс = qк + qпо ; 950 + 288 + 40 = 1258 + 20 кДж/кг; 1278 кДж/кг = 1278 кДж/кг. Расход холодильного агента Q 1,1 ∙ 106 G= = = 0,86 кг/с. qк + qпо 1278 ∙ 103 7 3 3’ 2 2’ 2 8 4 1’ 1 2 Рисунок 2 – Цикл одноступенчатого парокомпрессионного трансформатора теплоты в lgP-h диаграмме Тепловые нагрузки: испарителя Q o = q0 G = 950 ∙ 0,86 = 817 кВт; конденсатора Q к = Q отп,в = qк G = 1258 ∙ 0,86 = 1081,9 кВт = 1,082 МВт; переохладителя Q по = Q гвс = qпо G = 20 ∙ 0,86 = 17,2 кВт ; Электрическая мощность привода компрессора lв G 288 ∙ 0,86 Nэ = = = 275,2 кВт, ηэм 0,9 где ηэм = 0,9 – электромеханический КПД компрессора. Холодильный коэффициент q0 ηэм 990 ∙ 0,9 ε= = = 3,09. lв 288 Коэффициент трансформации теплоты (qк + qпо )ηэм 1278 ∙ 0,9 μ= = = 3,99. lв 288 Коэффициент работоспособности холода при средней температуре охлаждаемой оборотной воды в испарителе Тос 301 (𝜏𝑞 )н = 1 − =1− = 1 − 0,996 = 0,003, Тн ср 302 Т +Т (273+29)+(273+24) где Тн ср = н1 н2 = = 302 К – средняя температура охлаждае2 2 мого теплоносителя; Тос = t ос + 273 = 28 + 273 = 301 К. Коэффициент работоспособности теплоты при средней температуре охлаждающей воды в конденсаторе и переохладителе Тос 301 (𝜏𝑞 )в = 1 − =1− = 1 − 0,985 = 0,016, Тв ср 305,5 t +t 5+60 где Тв = 𝑤1 𝑤2 + 273 = + 273 = 305,5 К – средняя температура охлажда2 2 емой воды. А Тос ??? Расход воды на горячее водоснабжение Q 17,2 Gгвс = = = 0,1 кг/с, с(t w2 −t w1 ) 4,19(60 − 5) где с = 4,19 кДж/(кг ∙ К) – удельная теплоемкость воды. Расход воды на отопление и вентиляцию Qo 1,082 ∙ 103 Gотп,в = = = 51,6 кг/с. с(t н1 −t н2 ) 4,19(29 − 24) 9 1.4 Определение ориентировочной поверхности нагрева испарителя и конденсатора Температура хладагента в испарителе постоянная t0, поэтому температурный напор не зависит от схемы движения теплоносителей (рисунок 4). Принимаем в испарителе схему движения теплоносителей прямоток. Средние температурные напоры: в испарителе на рисунке 3 ∆𝑡б = t н1 − t о = 29 − 19 = 10 ℃; ∆𝑡м = t н2 − t о = 24 − 19 = 5 ℃ так как ∆𝑡б = ∆𝑡м 10 5 = 2 ≤ 2, оставить 2! Тогда ∆𝑡ср.и = ∆𝑡б +∆𝑡м 2 = 10+5 2 = 7,5 ℃. будет7,5 29 ℃ 24 ℃ 19 ℃ Рисунок 3 – Изменение температуры оборотной воды и хладагента при прямотоке в испарителе в конденсаторе на рисунке 4 ∆𝑡б = t 2′ − t w2 = 165 − 60 = 105℃; ∆𝑡м = t к − t w1 = 70 − 5 = 65 ℃ так как ∆𝑡б ∆𝑡м = 105 65 = 1,62 ≤ 2, 2! Тогда 10 ∆𝑡ср.к = ∆𝑡б +∆𝑡м 2 = 105+65 2 = 85 ℃. Аналогично испарителю! 70 ℃ 60 ℃ 5℃ Рисунок 4 – Изменение температуры оборотной воды и хладагента при прямотоке в конденсаторе в переохладителе на рисунке 5 ∆𝑡б = t к − t 𝑤1 = 70 − 5 = 65 ℃; ∆𝑡м = t по − t w2 = 65 − 60 = 5 ℃ так как ∆𝑡б 65 = = 13 > 4,5, ∆𝑡м 5 Тогда ∆𝑡б − ∆𝑡м 65 − 5 ∆𝑡ср.по = = = 23,4 ℃. ∆𝑡б 65 𝑙𝑛 𝑙𝑛 ∆𝑡м 5 11 70 ℃ 65 ℃ 60 ℃ 5 ℃ Рисунок 5 – Изменение температуры оборотной воды и хладагента при прямотоке в конденсаторе Поверхности теплообмена: испарителя Qо 817 ∙ 103 Fи = = = 155,6 м2 , k и ∆t ср.и 700 ∙ 7,5 где k и = 700 Вт/(м2 ∙ К) – коэффициент теплопередачи в испарителе и конденсаторе; конденсатора Qк 1,082 ∙ 106 Fк = = = 18,2 м2 . k к ∆t ср.к 700 ∙ 85 переохладителя Q по 17,2 ∙ 103 Fпо = = = 1,1 м2 . k по ∆t ср.по 700 ∙ 23,4 1.5 Определение эффективности использования парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты по сравнению с котельной Эффективность использования парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты по сравнению с котельной по [2] определяется снижением теплового загрязнения окружающей среды (охлаждение оборотной воды) и расхода топлива на выработку тепловой энергии. Снижение теплового загрязнения окружающей среды при использовании данной ТНУ составляет величину, равную количеству теплоты, отведенного от оборотной воды и определяемой тепловой нагрузкой испарителя. Учесть предыдущие ошибки в этой работе! Q об.в. = Q о = 851,4 кВт. 12 Экономия топлива при использовании парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты определяется по формуле bк −bтт ∆b = ∙ 100 %, bк где bк – удельный расход топлива на выработку теплоты в котельной, кг у. т./ГДж; bтт – удельный расход топлива на выработку теплоты при использовании парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты, кг у.т./ГДж. Определяем по [3]: удельный расход топлива на выработку теплоты в котельной 1 1 bк = р = = 42,62 кг у. т./ГДж, Q ну.т. ηк 29330 ∙ 10−6 ∙ 0,8 р где Q ну.т. = 29330 кДж/кг у. т. – низшая теплота сгорания условного топлива; ηк = 0,8 – КПД котельной. Удельный расход топлива на выработку теплоты при использовании парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты 1 1 bтт = р = = 23,7 кг у. т./ГДж Q ну.т. ηст ηлэп μ 29330 ∙ 10−6 ∙ 0,4 ∙ 0,9 ∙ 3,99 где μ = 3,99 – коэффициент трансформации теплоты; ηст = 0,4, ηлэп = 0,9 – соответственно КПД станции и линии электропередач. Экономия топлива составит 42,62 − 23,7 ∆b = ∙ 100 % = 44,39 %. 42,62 Эксергетический КПД трансформатора теплоты в режиме теплонасосной установки (ТНУ) (𝑞к +𝑞по )(𝜏𝑞 )в 𝜂эм 𝑒к (1258 + 20) ∙ 0,016 ∙ 0,9 ηТНУ = = = = 0,064 (6,4 %), е 𝑙в 𝑒вх 288 где (𝜏𝑞 )в = 0,016 – коэффициент работоспособности теплоты; Эксергетический КПД трансформатора теплоты в режиме холодильной установки 𝑞0 (𝜏𝑞 )н 𝜂эм 𝑒0 990 ∙ 0,003 ∙ 0,9 ηХе = = = = 0,009 (0,9 %), 𝑙в 𝑒вх 288 где (𝜏𝑞 )н = 0,003 – коэффициент работоспособности теплоты; Поскольку, значения температур Тн < То.с и Тв > То.с, то в нашем случае парокомпрессионный трансформатор теплоты комбинированный, класса RН. Однако, работа парокомпрессионного трансформатора теплоты в режиме теплового насоса основная. 13 Заключение В процессе выполнения расчетно-графической работы произведены: выбор схемы одноступенчатого парокомпрессионного трансформатора теплоты; построение цикла в lg P-h диаграмме. Рассчитаны: холодильный коэффициент ε = 3,09; коэффициент трансформации теплоты μ = 3,99; эксергетический КПД установки при работе в режиме холодильной установки ηэ.х. = 0,9 %; эксергетический КПД установки при работе в режиме теплового насоса ηэ.тм = 6,4 %. Выяснилось, что трансформатор теплоты может работать в режиме теплового насоса и холодильной установки. Поскольку, значения температур Тн < То.с и Тв > То.с, то в нашем случае парокомпрессионный трансформатор теплоты комбинированный, класса RН. Однако, работа парокомпрессионного трансформатора теплоты в режиме теплового насоса основная. Определена эффективности использования парокомпрессионного одноступенчатого трансформатора теплоты в режиме теплового насоса по сравнению с котельной, экономия топлива составила Δb=44,39 %. Учесть предыдущие ошибки в этой работе! 14 Список использованных источников 1. Картавская В.М., Спецвопросы расчетов элементов и систем производства энергоносителей. Практические занятия и самостоятельная работа студентов: учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 2. Картавская В.М. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Тепловые насосы: учеб. пособие – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2020. 15
