автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Эффективность абсорбционных бромстолитиевых холодильных машин с двухступенчатым генерацием пара рабочего вещества

Р г о о л

САНКТ-ГГВТЕРЕУРГСШ ТЕХНОЛОШ-ШШ ИНСТИТУТ ХОЛОЩХЩОА ПРОМЫШЛЕННОСТИ

. На правах рукопиои УДК 621.575

. ЮСА РА САШ I Сайд Дадвар

ЭФФЕКТИВНОСТЬ АБСОРБЦИОННЫХ БРШЙСТОЛИТЛЕВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН С ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ ПАРА РАБОЧЕГО ВК1ШСТВА

Спепиальнооть 05.04.03 - Машины и аппаоаты холодильной и

криогенной техники и систем кондиционирования

Автореферат

дисоертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург, 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском технологическом институте холодильной промшменнооти.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук, профессор

ТШОШВОЮЙ Л.С.

ОШШАЛЫШЕ ОППОНЕНТЫ: хвктор технических наук,профессор

ПОВОТЕШОВ В.Н. кандидат технических наук Циийииех 1.0.

ВВДШЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - НПО ЛеяЯИИхкшяв

Защита диссертации состоится " 1993^г.

в /Н часов на заседании специализированного Совета К 063.02.01 в Саикт-Петербургохом технологическом институте холодильной промышленности.

Отзыв в двух экземплярах, заверешай печатью учреждения, просим направлять по адреоу: 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова, 9, ученый совет СГ16ТИХП.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инотиту-та. . •

Автореферат разослан "^(¿си.^,{Л 1993 г.

" УЧШШ СЕКРЕТАРЬ ОЩИЛЛИЗИРСВАННОГО СОВЕТА, кандидат технических наук АКУЛОВ Л.А.

■ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

Широкое распространение для целей' кондиционирования и получения холодной воды для технологических нузд нашли абсорбционные бромкстолитиевые холодильные машины, которые работают как с одноступенчатой генерацией пара рабочего вещества (АБХМ) при обогрева генераторов источниками с температурой 65-130°С, так и с двухступенчатой генерацией пара (АБЩ) при наличии грейщих источников с температурой 160-180°С. Температура охлаждающей вода составляет при этом 22-32°С. АБХМ тлеет величину теплового коэффициента 0,68-0,72, а АЕХМД 1,1-1,2, что позволяет снизить потребление греющей среды примерно в 1,7 раза, охлаждающей вода в 1,2-1,3 раза и обеспечить эффективное использование этого типа машин в системах котельных и в промышленных отборах турбин ТЭЦ. АБВД могут также успешно работать при непосредственном обогреве генераторов продуктами сгорания природного газа, который имеется в достаточном количестве в Сирии.

В настоящее время предложены следуыаше типы АБХМД:

- с параллельным направлением движения раствора через генераторы;

- с прямоточным направлением движения раствора через генераторы.

Первый тип АЕСЭД нашел распространение в России, второй -в США, Японии ц Китае* Учитывая то обстоятельство, что Сирия располагает большими запасами газа, нефти, на которых работают про;.шшленные и другие котельные, и одновременнб требуется широкое обеспечение холодом, наиболее предпочтительным для условий указанной страны является применение АБЗВД. Однако в Сирии эти машины до настоящего времени не нашли распространения, и оценка их эффективности в широком диапазоне изменения параметров внешних источников не прогсдилась.

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

Цель работа;

- разработка методики расчетов различных типов термодинамических циклов АБХВД;

- разработка методики расчетов достоверных термодинамических й теплофизических свойств водного раствора бромистого лития в области температур 130-170°С;

- на основании известных зависимостей по расчету тепломас-сопереноса в аппаратах АЕХ1;Щ разработка методики расчета их ( теплообменшх поверхностей;

- разработка алгоритмов и программы расчетов на ЭВМ АЕХМД с параллельной и прямоточной схемами движения растворов через ступени генератора; . __

- проверка адекватности расчетных параметров циклов АБХМД известным опытным данным в сопоставимых условиях;

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

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

Практическая ценность. На основе разработанных математических моделей получены основные показатели АБХВД различного схемного решения, которпе могут быть использованы при проектировании, • изготовлении и эксплуатации ;шшш-' да целей хяадосиабжения систем кондиционирования в условиях Сирии. Определены также основные энергетические и технические пока- ■ загели АБХ14Д халодопроизводигельностьп 3 !<Шт.

Разработанное математическое обеспечение позволяет раосчи-тать термодинамические и технике-экономические показатели АБХВД.

.- Анализ и синтез этих показателей па примере АЕЩД различного схемного решения позволил сделать вывод о том, что по расходу топлива и металлоемкости АБХВД о параллельным движением раствора через генераторы является более аффективной, чем АБХМД с прямоточным движением раствора.

Автор защищает:

- математические модели АБХГДД;

I

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

- результаты численного эксперимента АЕХВД на ЭИЛ;

- энергетические, массогабаритные и другие показатели рассматриваемых типов!АЕХМД и рекомендации по их использованию.

Апробация работа.'Основные положения и результаты диссертационной работы домалывались и обсуздались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников Санкт-Петербургского технологического института холодильной промышленности (Санкт-Петербург, 1992, 1993 гг.)..

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит нз введения, четырех глав и заключенияосновныхвыводов, списк"1 литературы. Работа содержит 150 страниц основного машинописного текста, 160 рисунков, 15 таблиц. Список литературы вклю- • чает 62 источника, из них 49 - на русском, 13 - на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРНАШЕ РАБОШ

Схемы, теоретические и действительные циклы АБЫД с прямоточным и параллельным движением раствора через генераторы представлены на рис.1 и 2. В схеме АБХДЦ при прямоточном двк-' гении раствора через генераторы слабый раствор бромистого лития из абсорбера П (рисЛ) насосом УШ подается последовательно через растворные теплообменники У1 и УП в ступень генератора высокого давления У, где частично выпаривается при дав-

пВ в

лении Fh за счет подвода теплоты q,^ от греющего источника с температурой $ ; количество образующегося пара при этом составляет X . Далее пар поступает в трубный пучок ступени генератора низкого давления Ш, где конденсируется при температуре tx 11 давлении Р» "РЦ. Теплота конденсации пара 9ъ~Чь П0ДЕ0ДКТСЯ к раствору, который поступает из ступени еысокого давления генератора через теплообменник -УШ и дроссельный вентиль И в ступень генератора низкого давления. В ней раствор довыпаривается при давлении Р^ , а теплота конденсации^ отводится к источнику окружающей среда с температурой . Конденсат в количестэе X ,ч образовавшийся 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-

токои конденсата {1-Х) о образованием I кг рабочего вещест-на, а затем поступает через гидрозатвор ХП в испаритель I.

В испарителе I за счет подвода 'теплоты а,0 от охлаждаемого источника кипит вода при давлении Ро . При этом источник охлаждается до температуры is . Водяной пар, образовавшийся в испарителе, поступает в абсорбер П, где абсорбируется крепким раствором, стекающим из генератора Ш через растворный теплообменник У1 и дроссельский вентиль XI в абсорбер. При абсорбции пара концентрация раствора снижается. Теплота Ца , выделяющаяся в процессе абсорбции, отводится к источшшу окружающей .ореда при температуре ^ . Процессы теоретического (пунктирные линии) и действительного (сплошные линии) циклов АБХМД с прямоточпчм движением раствора изобраяеш в координатах на рис.2: вн~9 - адиабатноизобарная абсорбция; 9-2 - абсорбция г- совмещенным тепломассоперенссом; 2~7в - подогрев всего потока слабого раствор" последовательно в теплообменниках низкого и высокого давлений; ?о~5в адиабатноизобарная десорбция; 5в-4в- кипение раствора в ступонк генератора высокого давления о совмещенным хешюмаесопереносом о образованием раствора с промежуточной хсонцантрацией. ; 4в -8з - охлаждение раствора с промежуточной концентрацией в теплообменнике ступени генератора высокого давления; 8и~8и - адкабатноизобариая ' десорбция; 5н~4н - глпенка раствора в ступени генератора низкого давления с образованно« раствора о концентрацией 4п-8}1-охлакдение крепкого расморз в гезкообменняка ступени низкого давления. - В схема АЕйЙ о аараядщшом движением раствора в генераторах (рис.2) слабый растаар аз абсорбэра II насосом У21 подается параллельно в ступени генератора низкого Ш и высокого У давлений через соотвогстауюэде раотпораые теплообменники У1 к УЛ. В каждой ступени генератора раствор выпаривается от начальной концентрации до копечнай , Еэхока крепкого раствора после ступени генератора, прзйдх соогввгстзукую еешюобкешш-ки У1 и УП и дросоедьше веикаи XX и 11, объединяются в общий поток крепкого раогвора, когщШ- аоотупааг в абсорбер. Процессы теоретического (пуиктиртю лшш) к действительного (оплошные линии) циклов в координатах изображены на рпо.2:8л~9-адиабатноизобарная абсорбцая; 0"2 - абсорбция о совмещенным тегаомассоперенооом; 2~7н - йодог-ргв одной части потока слабого раствора в теолообиошако отупели нивкого даглежи; 2~7з ~

подогрев другой части слабого раствора в теплообменнике ступени высокого давления; -^н, ~ адяаСатноипобарная десорб ция пара, соответственно в ступенях генератора низкого и высокого давлений;^-^/, - кипение раствора с совмещенным теаломасоопереносом; с образованием раствора концентрации в каждой ступени- охлаждение одной и другой частей крешсого раствора, соответственно в теплообменниках высокого и низкого давлений.

Основные соотношения для расчета действительного цикла АБХВД с параллельным движением раствора через ступени генератора следующие:

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

х~1й,+(а-1)-*л,-а'*а/\?т+(в~*)'1он ь + (I)

-Цун-Ьв) I

- удельные тепловые нагрузки испарителя и конденсатора, соответственно

= - ¿Зем , и)

где 1зем "(1-Х)' Ьн (3)

и Як" (!-*) ( 1з'п~Ь,г/ > (4)

количество слабого раствора, подаваемого из абсорбера

в ступень генератора высокого давления fmxa ; (5) уделыше тепловые нагрузки в ступенях генератора:

- высокого давления I (6)

- низкого давления -~ Ьз) ) ■ ^

уделыше тепловые погрузки растворных теплообменников:

- высокого давления дт »¿■\17т1-Ъ2)-(-18:,) ', (8)

- низкого давления - (а-/)■ (Ь7„- Ья)-(аЧ~

' ($4н ~ ¿8 я)

Тепловой коэффициент & /(}у, • (Ю)

Расчеты X , Щ , в АЕХДЦ с прямоточным движением

раствора выполнялись по следующим зависимостям:

■ ¡4и~а-18в\/Ун -(Ъв~18в) > (и) +(<*-*) ив-а-Ъ7В) (15)

û = (a-l)-(ïw -à») » Ш)

0 % . С . f* к % - по уравнениям (2), (3), (4) и (7) соответственно. йеллчины et mî. определялись по общеизвестным уравнениям.

Анализ литературных данных показал, что метод расчета фазового равновесия водного раствора бромистого лития, предложен- , аый Г.Алефельдом, является наиболее приемлемым для создания унифицированной модели методики расчета процессов бромистолити-•евых холодильных машин в широком диапазоне изменения параметров внешних источников:

X* M«/Ms-%/(!-i) :(2I)<

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

+ , (22)

п-о П'1

в уравнение (22) была введена аппроксимационная зависимость энтальпий от ' концентрации раствора.'

Ai - 357,492 ~ 204,546• g - 240,476 f , (23)

позволяющая с достаточной для расчетов точностью ооглаоовать ■(расхождение не превышает 3,5%) между собой данные Г.Алефель-М, Х.Лёвера. М». Нелли, Б.А.Груздева и других авторов.

С учетом выражения (23) зависимость (22) .имеет следующий ВИД:. i*~t+Ai / . (23)

При расчете теплофазических свойств водного раствора бромистого лития ,были использованы аппроксимациош-ше зависимости, ' предложенные А.Г.Долотовым is. др.,СР " f i р - /(t,%) '

т,&)» <s~ HT.i)'.

- 9 - .

Расчет процессов тепломассопереноса в аппаратах АБВД осуществлялся с помоЩью .зависимостей, предложенных Н.Ю.Тобллеви-чем, В.Т.Грицаком, Ф.А.Овенко, С.А.Балицкш и др.

Методики расчета термодина:,шческих, тепловых и теплофизи-ческих свойств, математические модели расчета теоретических и действительных циклов АЕЩЦ с параллельным и.прямоточным движением раствора через ступени генератора, а также методики расчета основных аппаратов, рассмотренные выше, были положены в основу разработки прогрг, расчета АБХ.Ш на ЭЯ.1. ПрограМ' ма написана на алгоритмическом языке Фортран-ГУ и реализована для операционной системы ОС ЕС. Программа состоит из головной программы и 31 подпрограммы. Она позволяет рассчитать парамет-ри узловых точек термодинамических циклов, зону дегазации,кратность циркуляция 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 аппаратов, мощ-пость, потребляемую насосами.циркуляции раствора, коэффициенты теплопередачи, средние: логарифмические перепады температур мезду средами в аппаратах и их теплопередающув поверхность, а также технико-экономические показатели (капитальные и эксплуатационные затраты). С целью проверки адекватности предлагаемой математической модели и программы расчетов на ЭВМ реальным условием были сопоставлены результаты испытаний промышленного абсорбционного бромистолитиевого холодильного агрегата АЕХА-2500-213, разработанного ВШШхолодмашеи и институтом технической теплофизики АН Украины, и испытанного на заводе "ВУЛКАН" по схеме.с параллельной подачей раствора в ступени генератора, с результатами рочетов на ЗШ. За исходные данные для расчетов АБХВД были приняты опытные величины, опубликован-; ше в яурнале "Холодильная техника" (1983. - № 4. - СЛО-ГЗ). Сопоставление экспериментальных и расчетных данных дало хоро-' шд,е' совпадение практически всех основных параметров и показателей действительных циклов. Анализ основных'расчетных величин показал некоторое расхождение в значениях тепловых потоков по сравнению с экспериментальными величинами. Так, расхождение теплового потока конденсатора не превышало 5,6$, абсорбера - 1$, ступеней.генератора высокого давления - В,&%. Рас-

хождение оушариого теплового потока аппаратов составило 10,3$. В результате проведенного анализа оценки адекватности математической модели и программы расчетов АЕХМД о параллельной подачей раствора в ступени генератора можно сделать вывод о достаточной достоверности полученных результатов и возможности использования ее в инженерной практика, а также при проведении исследования на ЭВМ абсорбционных бромистоллгпевых термотрансформаторов.

Для оценки эффективности АЕХВД о параллельной и прямоточной подачей раствора через ступени генератора быш проведены вариантные раочетьг теоретических.и действительных циклов АБХМД в широком диапазоне изменения параметров внешних источников. Расчеты теоретических циклов АЕХМД выполнены в интервале температур греющей среда от 110 до 150°С. Температуры охлаждающей среды на входа в абсорбер и выходе из конденсатора принимались равными 30, 35, 40°0. 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 £ в зависимости от температур кипения к греющей среды подаваемой в ступенд генератора.

. Как видно из рис.3, величина теплового коэффициента ит схемы о последовательной подачей раствора! выше, чем для параллельной. Так, при=6°С и?й=120°С значения £ соответственно составляют 1,548 и 1,476, т.е. выше на 4,8$. С увеличением температуры кипения от 2 до 14°С при 1ь =120°С тепловой коэффициент при параллельной и последовательной подаче возрастает, соответственно, на 3 и 5%. Повышение температуры греющей среды от 120 до 130° С при постоянных значениях £0 приводит к снижению теплового коэффициента на 1,6$ (при параллельной подаче) и 3,3£ (при последовательной подачей раствора), что связано, в основном, с увеличением тепловых нагрузок генераторов. В вариантных расчетах-действительных циклов АБХГЛД температуры охлаждающей среды, подаваемой в абсорбер, принимались равными 22 и 26°С. Расчеты выполнялись для температур охлаждаемой среды на входе в испаритель 1$1 , равными: 10, 15 и 20°С. С целью оценки влияния потерь на основные показатели • АЕХМД, связанных с необратимостью в процессах от иедорекупе-рашга теплоты, перепады температур между средами на холодной стороне теплообменников рэстворов высокого 1 /хЬщов и низкого

Al том принимались ранними 10, 15 и 20 °С, соответственно. Оценка влияния на показатели АБХЭДД потерь от недорекуперации теплоты в ступени генератора низкого давления осуществлена при перепадах температур ^ I" между средами на горячей стороне, равными 8 и 12°С. Температуры греющей среда на входе в ступень генератора высокого давления принимались равными: 150, 160, 170 и 180°С. На рис.3, прлведено сравнение значений теплового коэффициента X . Рио.З показывает, что использование АЕЩД о параллельной подачей раствора в ступени генератора предпочтительней. Так, например, при = 170°С а % = 4°С в схеме о параллельны:.! движением раствора тепловой когф/яшиепг по сравнению с прямоточным движением на А% выше. Это объясняется сиилчзнием величины при прямоточном движении раствора чесаз гекератош в связи о ростом значений. />' л X по сравнению с параллельным движением раот-

~ А 4

вора.

Кроме того, несмотря на некоторое оникекием величины fuj , из-за уменьшения сродней концентрации раствора в ступени генератора высокого давления при прямоточном движении раотво-ра влияние, первой состэвлявщзй в выражениях (6) и (15) на величину более существенно по сравнению с параллельным движением раствора,.При прямоточном движении раствора также растет величина , поскольку процесо кипения раствора ооущэствляется при более высоком давлении В? по сравнению с параллельным движением. В итоге схема АЕХМД & параллельной подачей оказывается более эффективной, чем о прямоточным движениом раствора.

На рис.4 представлен« расчетные зависимости суммарной *вп.-лоаередавдей поверхности всех аппаратов Fqe» и растворных аппаратов затопленного типа (теплообменников растворов и от'у-пеней генератора высокого к низкого давлений) FleyJ? 0Т оао~ ооба подача раствора в ступени генератора. При использовании параллельной подачи раствора в ступени генератора значения

■ в средней на 2,5-3,5,« меньше по сравнению о последовательно! подачей. ' ■

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

I. На основании обсбцаши язваотных литературных данных зпервиэ разработаны математические модели АБХМД, включающие

основную программу и ряд подпрограмм, позволяющих рассчитать на ЭВМ термодинамические и теплофизкческие 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 тепломассоперенос в ступенях низкого и высокого давлений генератора, абсорбере, испарителе и конденсаторе и теплообмен в растворных теплообменниках низкого и высокого давлений.

2. Сопоставление основных раочетных параметров циклов АЕЭД о параллельной подачей раствора через ступени генератора с опытными данными института технической теплофизики АН Украшш, полученных при испытаниях промышленного образца машины АЕХВД-2В, показало их удовлетворительное совпадение. Это свидетельствует о правомерности использования математической модели для инженерных раочетов различных типов в АЕЗйЩ.

3. Анализ результатов расчетов показал, что в достаточно широком диапазоне изменения температур греющего пара (110-Г70°С), охлаждающей (22-27°С) и охлажденной (5-15°С) воды величина теоретического теплового коэффициента машины с прямоточной схемой подачи раствора через ступени генератора в среднем на 4,8$ 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 о параллельной подачей раствора в отроком 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-даюцих поверхностей аппаратов АЕХЗД'с параллельной схемой подачи раствора в отупеня 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 том, что по расходу топлива и металлоемкости АБХЦЦ с параллельной подачей раствора в ступени генератора является более эффективной, чем АБХМД с последовательной подачей раствора.

t|ji? »sîrss?

Гио,2*. Схема (а), теоретический и дейстгятелышИ шсом (Ö) ' АШД о параллельным движением раотЕора чгрез ступени генератора

л

SS З'н УЗ

г* Ï '

WW ,„ J-

I

*Î4

%а 1д fe* Ir Ii» Ir

- 18 -

Основные условные обозначения Р - давление, lia;

Ç - удельная тепловая нагрузка, кДд/кг;

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

- мольная концентрация бромистого лития в растворе;

è, - массовая концентрация бромистого,лития в растворе, %;

i(T)~ температура, °С (К);

а - кратность циркуляции раствора;

i - энтальпия, кДц/кг;

fp - температура насыщенного водяного пара, °С;

f - количество слабого раствора, подаваемого из

абсорбера в ступень генератора высокого давления;

g - тепловой коэффициент;

Qg - холодопроизйодительность, кВт;

А ,В.СЦ, 6i, Ci . d - постоянные коэффициенты ;

~Ср - удельная теплоемкость, 1фв/(кг«К);

- плотность, кг/м3;

- теплопроводность, Вт/^Й'Я); fi - коэффициент динамической вязкости, Н'с/м2; <$ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

I

fK - температура конденсации,°С;

qa - удельная тепловая погрузка абсорбера, кДж/кг.

Подписано к печати 23.12.93. Формат 60x84 1/16. Бум. писчая. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 951.

Малое предприятие "ТеплоКон" Санкт-Петербургского технологического института холодильной промышленности. 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова,9 •