Вплив термогідравлічної незворотності процесів у парокомпресорних холодильних та теплонасосних установках на їх ефективність - Автореферат

Незважаючи на численні теоретичні праці з розробки методів термодинамічного аналізу циклів холодильних машин, якими закладена теоретична основа розрахунку компресорів і тепломасообмінного устаткування холодильних машин, деякі задачі дотепер не одержали задовільного розвязку. Сьогодні на стадіях проектування, створення та подальшої експлуатації холодильних машин (ХМ) і теплових насосів (ТН) необхідно мати в своєму розпорядженні методику розрахунку, яка дозволяє враховувати взаємоповязаний вплив термогідравлічної незворотності процесів в основних блоках і трубній обвязці згаданих теплотрансформаторів. Недостатність наукових даних, що стосуються розвязання цієї задачі, визначила актуальність теми даної роботи, яка присвячена проблемі підвищення ефективності парокомпресорних холодильних машин і теплових насосів на основі аналізу циклових термогідравлічних процесів і схемних рішень. Обраний у роботі напрям дослідження відповідає "Плану заходів на 2006-2010 рр. щодо реалізації Енергетичної стратегії України на період до 2030 р." (затверджено розпорядженням Кабінету Міністрів України від 27 липня 2006 р., № 436-р; розділ VII - підвищення енергоефективності та розвиток нетрадиційних відновлювальних і альтернативних джерел енергії), а також держбюджетній НДР М 441 НТУ "ХПІ", № д.р. Розділи дисертаційної роботи, присвячені математичному моделюванню процесів у холодильних машинах і теплових насосах, а також запропоновані нові енергозберігаючі схемні рішення використано в навчальному процесі НТУ "ХПІ" на кафедрі теплотехніки при вивченні курсів "Холодильні машини та установки", "Вентиляція і кондиціонування повітря промислових підприємств", "Джерела теплопостачання промислових підприємств", що викладались для студентів спеціальностей 7.090510 "Промислова теплоенергетика" і 7.000008 "Енергетичний менеджмент" (Акт впровадження від 4.09.2007 р.).У першому розділі на основі огляду літературних джерел подано аналіз існуючих методів термодинамічного дослідження циклів ХМ і ТН, методик розрахунку теплообміну у випарнику і конденсаторі термоперетворювачів; розглянуто вплив властивостей робочих речовин на основні характеристики ХМ і ТН, а також деякі техніко-економічні аспекти оцінки їх ефективності. Для ХМ і ТН незворотність у будь-якому k-му елементі цих обєктів визначається додаванням термодинамічної роботи DWK і, як відомо, описується теоремою Гюї-Стодоли: DWK = Тсер ? М , (1) де М - масова витрата; Тсер - температура оточуючого середовища; - приріст ентропії робочого тіла в k-му елементі, зумовлений незворотністю процесу. Якщо в першому наближенні при побудові дійсного циклу знехтувати гідравлічними опорами на трактах конденсації і випаровування, а також опорами у вузлах зєднання всіх елементів установки, то, як відомо, в T-S діаграмі цикл матиме вигляд, показаний пунктиром. При формуванні загальної математичної моделі процесів у ХМ і ТН з використанням співвідношень (2), (3), (4) і (5) виявилося за можливе термодинамічну ефективність циклів і режимно-геометричні характеристики випарника і конденсатора визначити як результат взаємоповязаного впливу неізобарності, зумовленої гідравлічними опорами, та інтенсивності теплообміну при фазових перетвореннях у процесах випаровування і конденсації. Визначення режимних і геометричних характеристик у першому наближенні дозволило перейти до розрахунку ХМ і ТН з урахуванням гідравлічних опорів конденсатора, випарника і трубної обвязки.Вперше в межах комплексного математичного моделювання поставлено і розвязано задачу, в якій визначено залежність ефективності ХМ і ТН від ступеня термогідравлічної незворотності процесів у випарнику, конденсаторі та елементах трубної обвязки термоперетворювачів з використанням нового запропонованого автором ентропійного методу визначення питомої теплопродуктивності ТН і холодопродуктивності ХМ при неізобарному фазовому перетворенні в конденсаторі та випарнику. Встановлено, що в циклах теплових насосів при фіксованому значенні гідравлічного опору DPK у конденсаторі збільшення втрат тиску DPB у випарнику приводить до зменшення коефіцієнта трансформації m. При постійному значенні DPK збільшення DPB зумовлює істотне зменшення холодильного коефіцієнта e. За результами комплексного дослідження взаємоповязаного впливу термогідравлічної незворотності у випарнику, конденсаторі та елементах трубної обвязки одержано узагальнене кореляційне співвідношення, що відображає ранжируваний взаємоповязаний ступінь впливу основних незалежних чинників, що визначають рівень термодинамічної ефективності холодильної машини і теплового насоса. Вперше в дослідженні холодильних машин запропоновано методику аналізу й показано вплив на енергетичну ефективність циклу параметра складності схемної структури циклу при варійованих його температурних межах для різних холодоагентів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

1. Вперше в межах комплексного математичного моделювання поставлено і розвязано задачу, в якій визначено залежність ефективності ХМ і ТН від ступеня термогідравлічної незворотності процесів у випарнику, конденсаторі та елементах трубної обвязки термоперетворювачів з використанням нового запропонованого автором ентропійного методу визначення питомої теплопродуктивності ТН і холодопродуктивності ХМ при неізобарному фазовому перетворенні в конденсаторі та випарнику.

2. Встановлено, що в циклах теплових насосів при фіксованому значенні гідравлічного опору DPK у конденсаторі збільшення втрат тиску DРВ у випарнику приводить до зменшення коефіцієнта трансформації m. При фіксованому DРВ збільшення DPK приводить до підвищення m. При постійному значенні DPK збільшення DРВ зумовлює істотне зменшення холодильного коефіцієнта e. Наприклад, підвищенню DРВ від 0 до 50 КПА відповідає зменшення e в середньому (для різних холодоагентів) від 15 до 20 %.

3. Визначено ступінь чутливості ефективності циклів ХМ і ТН до зміни гідравлічних опорів при використанні різних холодоагентів. Показано, що чим більша молекулярна маса і чим менша питома теплота пароутворення холодоагенту, тим істотнішим виявляється вплив втрат тиску.

4. За результами комплексного дослідження взаємоповязаного впливу термогідравлічної незворотності у випарнику, конденсаторі та елементах трубної обвязки одержано узагальнене кореляційне співвідношення, що відображає ранжируваний взаємоповязаний ступінь впливу основних незалежних чинників, що визначають рівень термодинамічної ефективності холодильної машини і теплового насоса.

5. Вперше в дослідженні холодильних машин запропоновано методику аналізу й показано вплив на енергетичну ефективність циклу параметра складності схемної структури циклу при варійованих його температурних межах для різних холодоагентів. Зясовано, що вплив параметра складності S на значення відношення більш істотний, ніж вплив температурних меж циклу. Одержані в роботі регресійні залежності для різних робочих речовин дають можливість прогнозувати вплив втрат тиску в циклі на ефективність холодильних машин з урахуванням складності їх технологічної схеми.

6. Запропонована система тепло- і холодопостачання за схемою переведення роботи ХМ у режим ТН є ефективним способом енергозбереження й охорони навколишнього середовища. Обєднання в єдиний комплекс ХМ і ТН дозволяє створити безвідходні технології в системах споживання теплової енергії на різних температурних рівнях. Проте висновок про доцільність заміни традиційних способів отримання теплоти шляхом упровадження теплонасосних технологій кожного разу потребує обґрунтування.

7. На підставі проведеного аналізу головних аспектів комплексного підходу до розширення застосування аміаку в холодильній промисловості запропоновано ряд схемних рішень для підвищення ефективності холодильних установок.

8. Запропоновано інженерну методику розрахунку, яка дозволяє на стадії проектування теплонасосних установок, створюваних на основі холодильних машин, що серійно випускаються, погоджувати роботу термотрансформаторів для функціонування як у режимі холодильних машин (наприклад, літній період роботи у складі системи кондиціонування повітря), так і в опалювальний період при реверсуванні струму холодоагенту.

9. Випробування натурного промислового фрагменту холодильної станції дозволили встановити, що непогодження теоретичних та експериментальних значень гідравлічних опорів, холодопродуктивності і холодильного коефіцієнта не виходять за межі, регламентовані відповідними стандартами на проведення випробувань холодильної техніки.

10. На підставі задовільного збігу теоретичних та експериментальних результатів розрахункову модель процесів у ХМ, запропоновану в даній роботі, можна вважати адекватною і з достатнім ступенем точності застосованою для виконання інженерних розрахунків при розвязанні як прямих, так і зворотних задач, що виникають при проектуванні холодильної техніки.

11. Реконструкція схеми трубної обвязки промислової ХМ, що була виконана з використанням розрахункової методики, сформульованої у даній роботі, і подальша експериментальна перевірка показали, що за рахунок поліпшення термогідравлічної якості схеми вдалося збільшити холодильний коефіцієнт на 14,2 % і підвищити холодопродуктивність на 11,1 %.

1. Братута Э.Г., Шерстюк В.Г. Основные аспекты комплексного подхода к расширению применения аммиака в холодильной промышленности // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2004. - №4. - С. 67-70.

2. Братута Э.Г., Чиркин Н.Б., Шерстюк В.Г. Уточненная методика расчета режимов работы теплонасосных установок на базе технических характеристик основного оборудования // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". - Харків: НТУ "ХПІ", 2005. - № 29. - С. 9-14.

3. Братута Э.Г., Харлампиди Д.Х., Шерстюк В.Г. Влияние неизобарности процессов конденсации и испарения на энергетические показатели холодильных машин и тепловых насосов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2006. ? № 3/3(21). - С. 91-93.

4. Шерстюк В.Г. Производство холода и теплоты в системах энергетического взаимодействия холодильных и теплонасосных установок // Коммунальное хозяйство городов. - К., 2006. - Вып. 7. - С. 211-218.

5. Братута Э.Г., Шерстюк В.Г. Влияние температуры охлаждающей воды на теплоэнергетические характеристики при компремировании газов в холодильной технике // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2006. ? № 2. - С 84-88.

6. Братута Э.Г., Шерстюк В.Г., Харлампиди Д.Х. Анализ влияния сопротивления соединительных трубопроводов холодильной машины на ее эффективность // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2007. ? № 1. - С. 16-24.

7. Шерстюк В.Г., Кузнецов М.А. Энергоаудит современного предприятия пищевой промышленности // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. - 2007. ? № 1. - С. 27-35.

8. Братута Э.Г., Харлампиди Д.Х., Шерстюк В.Г. Влияние гидравлических сопротивлений на энергетическую эффективность цикла холодильной машины в зависимости от сложности ее технологической схемы // Труды Одесского политехнического университета. - 2007. - Вып. 1 (27). - С. 98-104.

9. Tovazhnyansky L., Sherstyuk V., Kapustenko P., Khavin G., Perevertaylenko O., Boldyryev S., Garev F. Plate Heat Exchangers for Environmentally Friendly Heat Pumos // Chemical Engineering Transaction. - 2007. - Vol. 12. - Р. 213-217.

10. Братута Э.Г., Чиркин Н.Б., Шерстюк В.Г. Комбинированное производство холода и теплоты на крупных холодильных станциях // Тезисы IV Междунар. конф. "Проблемы промышленной теплотехники". - К., 2005. - С. 84-86.

11. Братута Э.Г., Шерстюк В.Г. Влияние температуры охлаждающей воды на эффективность холодильной установки // Междунар. научн. -практич. конф. "Интегрированные технологии и энергосбережение ИТЭ-2006" (Алушта, 2006). - Харьков: НТУ "ХПИ", 2006.

12. Братута Э.Г., Шерстюк В.Г., Харлампиди Д.Х. Влияние гидродинамики внугритрубных процессов на эффективность тепловых насосов и холодильных машин. - Труды V Междунар. конф. "Проблемы промышленной теплотехники". - К., 2007. - С. 238-240.