автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Эффективность абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин в двухступенчатой генерацией пара рабочего вещества

слйкт-щтйрбуегскиЛ ихнолога-шш аютшт холошшюл

ПРСШШШШОСТИ

. На правах рукописи УДК 621.975

. КХАРАСАНИ Сайд Дадаар

эмектйвносгь абсорбционных брсшстолйтшйвых холодильных машин с двухступенчатой генерацией пара рабочего вещества

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты холодильной и

криогенной техники н систем кондиционирования

Автореферат

дасоертация на соиоканиэ ученой отепенп кандидата технических наук

Санкт-Петербург, I993

Работа вшолаеца в Санкт-Петербургском технологическом институте холодильной промышленности.

НДУЧШй РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук, профессор

тшофеевсюй л.ь.

ОМЩИАЛЫШЕ ОППОНЕНТЫ: яехюр технически иаук,нроф9С«вр

НОВОГЕШОВ в.н. кандидат технических паук ЦииСалнъх 1.0.

ВЩЩЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - НПО ДевШхшкш

Защита диссертации состоится в /V'часов ш заседании специализированного Совета К 063.02.01 в Санкт-Еетербургскш технологическом инотиту-тв холодильной промышленности.

Отзыв в двух экземплярах, завереашД печатью учревдения, просим направлять" по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова, 9, учений совет СШТИХП.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. .

Автореферат разослан

1993 г.

учены! секретарь с1щиализир0ванй0г0 совета, кандидат технических наук

АКУЛОВ Л.А.

' общая характеристика рабои

Актуальность теми. В последние десятилетия для всех стран мира одной из важнейших проблем является экономия топливно-энергетических ресурсов и охрана окружающей среди, в частности от теплового ее загрязнения.

Процессы получения холода неизбежно связаны со значительными энергозатратами и поэтому повышение эффективности холодильных машин является актуальной задачей.

Широкое распространение для целей' кондиционироЕанля л получения холодной води для технологических нузд нашли абсорбционные бромистодитиевне холодильные машины, которые работают как с одноступенчатой генерацией пара рабочего вещества (АЕХМ) при обогрева генераторов источниками с температурой 65-130°С, так п с двухступенчатой генерацией пара (АЕЫЦ) при наличии грейщях источников с температурой 160-180°С. Температура охлаждающей вода составляет при этом 22-32°С. АБХМ имеет величину теплового коэффициента 0,68-0,72, а АЕХЭД 1,1-1,2, что позволяет снизить потребление греющей среда примерно в 1,7 раза, охлаждающей вода в 1,2-1,3 раза и обеспечить эффективное использование этого типа малин в системах котельных и в промыш-* ленных отборах турбин ТЩ. АБХМД могут также успешно работать при непосредственном обогреве генераторов продуктами сгорания природного газа, который тлеется в достаточном количестве в Сирии.

В настоящее время предложены следующие типы АШЩ:

- с параллельным направлением движения раствора через генераторы;

- с прямоточным направлением движения раствора через генераторы.

Первый тип АЕОД патл распространение в России, второй ~ в США, Японии и Китае. Учитывая то обстоятельство, что Сирия располагает большими запасами газа, нефти, на которых работают промышленные и другие котельные, и одновременнб требуется широкое обеспечение холодом, наиболее предпочтительным для условий указанной страгш является применение АБХЗД. Однако в Сирии эти машины до настоящего времени не наши распространения, и оценка их эффективности в широком диапазоне изменения параметров внешних источников не проводилась.

Перечисленное выше определяет необходимость и актуальность исследований по теме диссертации. •

Цель работы:

- разработка методики расчетов различных типов термодинамических циклов АЕХЫД;

- разработка методики расчетов достоверных термодинамических й теплофизических свойств водного раствора бромистого лития в области температур 130-1?0°С;

- ш основании известных зависимостей, по расчету тепломас-соперепоса в аппаратах АБХЗД разработка методики расчета их теллообменных поверхностей;

- разработка алгоритмов и программы расчетов на ЭВМ АБХМД о параллельной и прямоточной схемами движения растворов через ступени генератора; ______• _

- проверка адекватности расчетных параметров циклов АБХМ.Д. известным опытшш данным в сопоставимых условиях;

- оценка эффективности рассматриваемых АБХМД и установлен.,-ние наиболее перспективной из них.

Научная новизна. Разработаны математические модели теоретических и действительных' циклов и процессов переноса в АЕОД и методики их расчетов с поморю ЭШ, а также определения их энергетических, массогабаритшх и других показателей в широком диапазоне изменения параметров внешних источников теплоты.

Практическая ценность. На основе разработанных математических моделей получены основные показатели АЕВД различного схемного решения, которае могут быть использованы при проектировании, ■ изготовлении и эксплуатации ;ышш-- для целей хладоснабженш систем кондиционирования в условиях Сирии. Определены такие основное энергетические и технические пока- . затели АШД холодопроизводительноотьп 3 МВт.

Разработанное математическое обеспечение позволяет рассчитать термодинамические й технико-економические показатели АБВД.

Анализ и синтез этих показателей на примере АЕЩ различного схемного решения позволил сделать вывод о том, что по расходу топлива и металлоемкости АЕШ с параллельным даи-кением раствора через генераторы является более аффективной, чем АЕВД с прямоточным даиионием раствора.

Автор защищает:

- математические модели АБХЩ;

- результаты аппроксимации термодинамических и тенлофи-зических свойств раствора бромистого лития в области температур 130-200°С;

- результаты численного эксперимента АЕЗСД на ЭЕ.1;

- энергетические, массогабарлтные и другие показатели рассматриваемых тяпое1абХМД и рекомендации по их использованию.

Апробация работы."Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуадались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников Санкт-Петербургского технологического института холодильной промышленности (Санкт-Петербург, 1992, IS93 гг. )..

Объем и стотктута диссертации. Диссертация состоит'из введения, четырех глав и заютченияосновныхвыводов, списк~> литературы. Работа содержит 150 страшгц основного машинописного текста, 160 рисунков, 15 таблиц. Список литературы вюно-. тает 62 источника, из них 49 - на русском, 13 - на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЕАНЙЕ РАБОТЫ

Схемы, теоретические и действительные циклы AEXLUt с прямоточным и параллельным движением раствора через генераторы представлены на рис. I и 2, В схеме АКОЩ при прямоточном две- 1 жешш раствора через генераторы слабый раствор бромистого лития из абсорбера П (pirc.I) насосом УШ подается последовательно через растворные теплообменники У1 я УП в ступень генератора высокого давления У, где частично выпаривается при давлении Р% за счет подвода теплоты q,^ от греющего источника с температурой Ьь ; количество образующегося пара при этом составляет X . Далее rap поступает в грубный пучок ступени генератора низкого давления Ш, где конденсируется при температуре и давления Рн > Теплота конденсации пара подводится к раствору, который поступает из ступени ' высокого давления генератора через теплообменник УШ и дроссельный вентиль IX в ступень генератора низкого давления. В ней раствор довыпаривается при давлении Pf, , а теплота конденсации^ отводится к источнику окружающей среда с температурой tw . Конденсат в количестве X ,чобразовавшийся при конденсации пара в процессе отвода теплоты к раствору в ступени генератора низкого давления, через дроссельный вентиль X подается в конденсатор, в котором происходят его смешение о по-

iokou конденсата k1~X) о образованием I кг рабочего вещества, а затем поступает через гидрозатвор Ш в испаритель I.

В испарителе I за счет подвода 'тегоюти qc от охлаждае-' мого источника кшшг вода при давлении Р0 . При этом источник охлаждается до температуры fs . Водяной пар, образовавшийся в испарителе, поступает в абсорбер Л, где абсорбируется крепким раствором, стекающим из генератора Iii через растворный теплообменник У1 и дроссельский вентиль XI в абсорбер. При абсорбции пара концентрация раствора снижается. Теплота <ja , выделявшаяся в процессе абсорбции, отводится к источнику окружающей рредк при температуре . Процессы теоретического (пунктирные линии) и действительного (сплошные линии) циклов АБЙЩ с прямоточным движением раствора изображены в координатах i-h ш рис.2: 8н~9 - адаабатноизобарная абсорбция; 9~2 - абсорбция г совмещенным телломассоперекосом; 2~7в - подогрев всего потока слабого раствор" последовательно в теплообменниках низ-'кого и высокого давлений; 7в~5в - адаабатноизобарная десорбция; 5в~4в- кипение раствора в ступени генератора высокого давления с совмещенным тепломассопэреносом с образованием раствора с промежуточной концентрацией, ; 4я~8в - охлаадение раствора с промежуточной концентрацией s теплообменнике ступени генератора высокого давления; 8и~ 5п - адаабатноизобарная десорбция; 5н~4н~ кипение раствора в ступени генератора низкого давления с образованней раствора с концентрацией охлаадение крепкого раствора в теплообменники ступени низкого давления. В схеме АШМЙ о шраляелышы движэцием раствора в генераторах (рис.2) слабый раствор кз абсорбера II насосом УII! подается параллельно в ступени генератора низкого И и высокого У давлений через соответо'дьугщзо растворные теплообменники У1 и УП. В каждой ступени генератора раствор выпаривается от начальной концентрации до коночной gr , Потоки крепкого раствора после ступени генератора, пройдя'соответствующие теплообменники У1 и УП и дроссельные веигют Я и II, объединяются в общий поток крепкого раствора, который' поступает в абсорбер. Процессы теоретического (пунктирные яшшв) к действительного (сплошные линии) циклов а координатах t~% изображены ш рис.2:6и~9~ адиабатнокзобарная абоорбщш; Q-2 - абоорбдая о совмещенным тегоюмасооперенооои; J?-7// - йодогргш одной часз?и потока слабого раствора в тешгообмеишпм ступшк низкого давлент;2~7в -

подогрев другой части слабого раствора в теплообменнике ступени высокого давления;Ту-5//,~ адяайзтноизобарная десорбция пара, соответственно в ступенях генератора низкого и высокого давлений;^-^/; - кипение раствора с совмещенным теяломасоопереносом; о образованием раствора концентрации в каждой ступени¡^в'^нгАн-Зн - охлаждение одно«! и другой частей крепкого раствора, соответственно в теплообменниках высокого и низкого давлений.

Ьсновные соотношения для расчета действительного цикла АБХЩ с параллельным движением раствора через ступени генератора следующие:

- количество пара рабочего вещества, образующегося при выпаривании раствора в ступени генератора высокого давления

я ■ Ьн^(а-1)18я-а ъ2/^н+(а-1)ч8н -а12 + (I)

*Н'я-ив\ 5

- удельные тепловые нагрузки испарителя и конденсатора, соответственно

• » . и)

где ¡зсм~(1-х)'*Зн-1-Х'Ъ]в (3)

количество слабого раствора, подаваемого из абсорбера в ступень генератора высокого давления i^•JCa ! (5)

удельные тепловые нагрузки в ступенях генератора:

- высокого давления I (6)

- низкого давления / • ^

удельные тепловые погрузки растворных теплообменников:

- высокого давления ! (8)

- низкого давления (аЧ)-(17„~Ь2)-{аЧ~1-х)\

' (Ъ4н~ 18»)

Тепловой коэффициент - £ «■/Я'Ь • (10)

Расчета X , Щ , ^тд.Цпл в АШЩ с прямоточным движением раствора выполнялись по следующим зависимостям:

*к1ъ,н-1г(а-1)-Ча~а'Ъвв\/{1&4 'л ' Ш)

+(<*-*) 14в-а-г7в! (15)

С1 (¿м -й") и*)

а % . С %% а-% - по уравнениям (2), (3), (4) и (7) соответственно. Веллчяны а и определялись по общеизвестным уравнениям.

Анализ литературных данных показал, что метод расчета фазового равновесия водного раствора бровастого лития, предложен- ( ный Г.Алефельдом, является наиболее приемлемым для создания унифицированной модели методики расчета процессов брошстолити-. евых холодильных машин в широком диапазоне изменения параметров внешние источников: АОС)+В(*) '¿Р .(18);

(&-■£*) (20);

По «о

Х.М*/М9'%/(!-%) ;(21).

. Одной из трудностей при разработке методики расчета тепло- . вых свойств водного раствора бромистого литая оказалась невозможной непосредственного использования для расчетов на ЭВМ термодинамических свойств водного раствора бромистого лития в > широком диапазоне, параметров данных отдельных авторов из-за различия в выборе ими начальной .точки обсчета энтальпий раствора и вода. Положив в основу метод расчета энтальпии, предложенный Г.Алефельдом, 'а именно:

, (22)

ЛЧ7 пч

в уравнение (22) была введена аппроксимациогшая зависимость энтальпий от'концентрации раствора;

'а1 - 357,492 ~ Ш,546 Ь~ 240,476 , (23)

позволяющая с достаточной дяя расчетов точностью ооглаоовать (расхождение не превышает 3,5,2) между собой данные Г.Алефель-да, Х.Лёвера. Мю, Нелли, В.А.Груздева и других авторов.

С учетом выражении (23) зависимость (22) .имеет следующий вид:. / : (23)

При расчете теплофизических свойств водного раствора бро- ', мистого лития , были использованы аппроксшациоаше зависимости, ! предложенные Л.Г.Додотовым щ др., Ср " f(t,%) \ ф ~ f (1,%) }

.Л "7'■(%%) I ' б-- н

- 9 - .

Расчет процессов теплошесопереноса в аппаратах АБХМД ооу-' цествлялся с помоЩьи .зависимостей, предложенных Н.Ю.Тобллеви-чем, В.Т.Грицаком, О.А.Овенко, С.А.Балицким и др.

Методики расчета термодинамических, тепловых и теплофпза-ческих свойств, математические модели расчета теоретических и действительных циклов АБХЗД с параллельным и. прямоточным движением раствора через ступени генератора, а также методики расчета осяоепых аппаратов, рассмотренные выше, были положены в основу разработки прогрг, лн расчета АЕХЖ на ЭЛ.1. Программа написана на алгоритмическом языке Фортран-1У и реализована для операционной системы ОС ЕС. Программа состоит из головной программы и 31 подпрограммы. Она позволяет рассчитать параметры узловых точек термодинамических циклов, зону дегазации,кратность циркуляции раствора, количество рабочего вещества, образующегося при выпаривания раствора в ступени генератора высокого давления, количество слабого раствора, подаваемого из абсорбера в ступень генератора высокого давления, тепловой коэффициент, удельные и полные тепловые нагрузки г.ппарзтов, мощность, потребляемую насосами циркуляции раствора, коэсЕфщиен- . ты теплопередачи, средние: логарифмические перепады температур мезду средами в аппаратах и их теплопередающую поверхность, а также технико-экономические показатели (капитальные и эксплуатационные затраты). С целью проверки адекватности предлагаемой математической модели и программы расчетов на ЭШ реальным условием были сопоставлены результаты испытаний промышленного абсорбционного бромистолитиевого холодильного агрегата АГО.-2500-2В, разработанного ВШШхолодмашем и институтом технической теплофизики АН Украины, и испытанного на ,заводе "ВУЛКАН" по схеме.о параллельной подачей раствора в ступени генератора, с результатами расчетов на ЭШ. За исходные данные дая расчетов АЕХВД были при;шты опытные величины, опубликованные в журнале "Холодильная техника" (1983. - Л 4. - С. 10-13). Сопоставление экспериментальных а расчетных данных дало хоро-ид.0 совпадение практически всех основных параметров и показателей действительных циклов. Анализ основных расчетных величин показал некоторое расхождение в значениях тепловых потоков по сравнению о экспериментальными величинам. Так, расхождение теплового потока конденсатора не превышало 5,6%, абсорбера - IS, ступеней. генератора высокого давления - 8,8$. Рас-'

хоздение суммарного теплового потока аппаратов составило 10,3?. В результате проведенного анализа оценки адекватности математической модели и программы расчетов АШЩ о параллельной подачей раствора в отупела генератора можно сделать вывод о достаточной достоверности полученных результатов и возможности использования ее в инженерной практике, а также при проведении исследования на ЭШ абсорбционных бромистолитиевых термо-траисформаторов.

Для оценки эффективности АБХМД с параллельной и прямоточной подачей раствора через ступени генератора бит проведет вариантные раочеты теоретических.и действительных циклов АШЩ в широком диапазоне изменения параметров внешних источников. Расчеты теоретических циклов АЕХМД выполнены в интервале температур греющей среды ог НО до 150°С. Температуры охлаждавшей среда ¡ш входа в абсорбер и выходе из конденсатора принимались равными 30, 35, 40°С, При этом температура охлаждаемой ' среды на выходе из испарителя варьировалась в интервале от 2 до 14°С. На рис.3 дано сопоставление теоретических значений теплового коэффициента £ а зависимости от температур кипения и греющей среда ¿^, подаваемой в ступени генератора.

. Как видно из рис.3, величина теплового коэффициента длзсхемы с последовательной подачей раствора выше, чем для параллельной. Так, при^й =6°С и^=120°С значения £ соответственно составляют 1,548 и 1,476, т.е. выше на 4,Ь%. С увеличением температуры кипения от 2 до 14°С при =120°С тепловой коэффициент при параллельной и последовательной подаче возрастает, соответственно, на 3 и Ъ%. Повышение температуры греющей среда от 120 до 130° С при постоянных значениях tg приводит к сншсе-шш теплового коэффициента на 1,6% (при параллельной подаче) и 3,3% (при последовательной подачей раствора), что связано, в основном, с увеличением тепловых нагрузок генераторов. В вариантных расчетах-действительных циклов АЕХВД температуры охлаждающей среды, подаваемой в абсорбер, принимались равными 22 и 26°С. Расчеты выполнялись для температур охлаждаемой среда на входе в испаритель , равными: 10, 15 и 20°С. С целью оценки влияния потерь на основные показатели • АЕХВД, связанных с необратимостыэ в процессах от недорекупе-рации теплоты, перепады температур между средами на холодной стороне теплообменников растворов высокого й1тав и низкого

Aimât принимались рашшыи 10, 15 и 20°0, соответственно. Оценка влияния на показатели АЕХМД потерь от недорекуперации теплоты в ступени генератора низкого давления осуществлена при перепадах температур мевду средами на горячей сто-

роне, равными У и 12°С. Температуры греющей среда на входе в ступень генератора высокого давления принимались равными: 150, 160, 170 и 180°С. На рис.З. прлаедеио сравнение значении теплового коэффициента £ . Рио.З показывает, что использование АЕХЭД о параллельной подачей раствора в ступени генератора предпочтительней. Так, например, при th = 170°С и t0 - 4°С в схеме о параллельным движением раствора тепловой коэффициент по сравнению с прямоточным движением на А% выше. Это объясняется сни^лшем величины Цо при прямоточном движении раствора чеьез генератош в связи о роотои значений, р и * по сравнению с параллельным движением раствора.

Кроме того, несмотря на некоторое онияением величины , из-за уменьшения сроднзй концентрации раствора в ступени генератора высокого давления при прямоточном движении раствора влияние, первой составляющей в выражениях (6) и (15) на величину более существенно по сравнению с параллельным движением раствора,_При прямоточном движении раствора также растет величина frs , поскольку процесс кипения раствора осуществляется при более высоком давлении р' по ораа-нению с параллельным движением. В итоге схема АБХМД о параллельной подачей оказывается более эффективной, чем с прямоточным движением раствора.

fia рис.4 представлены расчетные зависимости суммарной тег.:-лопоредовдей поверхности всех аппаратов Fty,w л растворных аппаратов затопленного типа (теплообменников растворов и ступеней генератора высокого и низкого давлений) '^ун от способа подача раствора в ступени генератора. При использования параллельной подачя раотвора з ступэни г з пор,агора значения

fq-гл • а среднем на 2,5-3,5$ меньше по орашенк» о последовательной подачей. , ■

основные результаты ¡г ШВОМ

1. На основании обобдения известных литературных дашшх нперЕыа разработаны математически модели АЕХ1.1Д, включающие

основную программу и ряд подпрограмм, позволяющих рассчитать на ЭВМ термодинамические и геплофизические свойства водного раствора бромистого лития в интервалах концентраций 0-70$ и температур 0-180°С, насыщенного и перегретого водяного пара в том же интервале температур, а также теиломасооперенос в ступенях низкого и высокого давлена! генератора, абсорбере, испарителе и конденсаторе и теплообмен в растворных теплообменниках низкого и высокого давлений.

2. Сопоставление основных расчетных параметров циклов АШ1Д о параллельной подачей раствора через ступени ге.чератора с опытными данными института технической теплофизики АН Украины, полученных при испытаниях промышленного образца машины АЕХВД- ' 2В, показало их удовлетворительное совпадение. Это свидетельствует о правомерности использования математической модели для инженерных расчетов различных типов в АЕЗДЦ.

3. Анализ результатов расчетов показал, что в достаточно широком диапазоне изменения температур греющего пара (110— 170°С), охлаждающей (22-27°С) и охлавденной (5-15°С) воды величина теоретического теплового коэффициента машины с прямоточной схемой подачи раствора через ступени генератора в среднем на 4,8/2 выше, чем в машине о параллельной схемой подача раствора.

4. В действительных циклах, вследствие меньшего влияния необратимых потерь на реальные процессы, величина теплового коэффициента машины с параллельной подачей раствора в «дроком диапазоне изменения-параметров внешних источников и при одинаковых величинах отклонений действительных циклов от. теоретических оказалась в среднем на 3,0$ выше, чем в машине о последовательной подачей растворов.

5. При одинаковых условиях суммарная величина теплопере-давдих поверхностей аппаратов ЛБХЗД с параллельной схёмой подачи раствора в отупени генератора на 2,0-2,5% ниже суммарной величины теплопередающих поверхностей машины с последовательной подачей раствора.

6. Таким образом, результаты сопоставления основных .показателей различных АЕХМД позволяют сделать вывод о там, что по расходу топлива и металлоемкости АЕСЩ с параллельной подачей раствора в ступени генератора является более эффективной, чем АБХВД с последовательной подачей раствора.

—г , WA

•VW

—«-Щи

3*5

tti o

H 'Л 8,

з ё а aas

Гио.Л Схема (а), теоретически!! и действительный цгалы (в) ' АШД о параллельным движекигя раствора через ступени генератора

fV

*_____

Se feie*

- к -

Основные условные обозначения Р - давление, lia;

9 - удельная тепловая нагрузка, кДж/кг;

- количество пара, образующегося в ступенях генератора высокого давления, кг;

- мольная концентрация бромистого лития в растворе;

- массовая концентрация бромистого.лития в растворе, %; t(Т) - температура, °С (К);

а - кратность циркуляции раствора; i - энтальпия, кДд/кг;

lp ~ температура насыщенного водяного пара, °С;

f - количество слабого раствора, подаваемого нз

абсорбера в ступень генератора высокого давления;

£ - тепловой коэффициент; .

Q0 - холодояроизйодительность, кВт;

А .В. di, 6i , Ci , d - постоянные коэффициенты j

Ср - удельная теплоемкость,' кДк/(кГ'К);

р - плотность, кг/м3;

А - ТсШОПООВОДНОСТЬ, BT/^i'K)J

i U - коэффициент динамической вязкости, Н-с/ы2;

<f - коэффициент поверхностного натяжения, Ц/м;

fK - температура конденсации,°С;

qa - удельная тепловая погрузка абсорбера, кДа/хг.

Подписано к печати 23.12.93. формат 60x84 I/I6. Буй. писчая. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Тйрая 100 экз. Заказ № 951.

Малое предприятие "ТеллоКон" Санкт-Петербургского технологического института холодильной промышленности. I9I002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова,9 •