автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Оценка эффективности абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с трехступенчатым генератором

Основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Состояние исследований абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин.

1.1. Схемы и циклы абсорбционных холодильных машин со ступенчатой генерацией и их эффективность.

1.2. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Схемы и циклы абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с трёхступенчатым генератором.

2.1.1 Описание схемы и цикла абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с трёхступенчатой генерацией пара рабочего вещества с последовательной подачей раствора через ступени генератора.

2.1.2 Методика расчёта АБХМ с трёхступенчатой генерацией пара рабочего вещества с последовательной подачей раствора через ступени генератора.

2.2.1 Описание схемы и цикла абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с трёхступенчатой генерацией с параллельной подачей раствора через ступени генератора.

2.2.2 Методика расчёта АБХМ с трёхступенчатой генерацией пара с параллельной подачей раствора через ступени генератора.

Глава 3. Методика расчёта свойств воды, водяного пара и водного раствора бромистого лития в области высоких температур.

3.1. Уравнения для расчёта термодинамических и теплофизических свойств воды и водяного пара.

3.2 Уравнения для расчета термодинамических свойств водного раствора бромистого лития.

3.3. Уравнения для расчета теплофизических свойств водного раствора бромистого лития.

3.3.1. Удельная теплоемкость.

3.3.2 Плотность.

3.3.3. Теплопроводность.

3.3.4. Вязкость.

3.3.5. Поверхностное натяжение.

Глава 4. Методика расчёта теплообменных аппаратов.

4.1. Испаритель.

4.2. Абсорбер.

4.3. Конденсатор.

4.4. Ступени генераторов.

4.5. Теплообменники растворов.

Глава 5. Программа расчёта на ПК основных показателей и характеристик абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин с трёхступенчатой генерацией пара.

5.1. Структурная схема математической модели.

5.2. Принципы формирования математической модели и описание подпрограмм.

5.3. Проверка адекватности результатов.

Глава 6. Анализ энергетической эффективности и технико-экономических показателей АБХМТ.

6.1. Анализ энергетических показателей АБХМТ.

6.2.Оценка технико-экономических показателей АБХМ при работе в режимах с двух- и трехступенчатой генерацией пара.

6.2.1. Результаты расчета АБХМ с двухступенчатым генератором (АБХМД).

6.2.2.Результаты расчета АБХМ с трехступенчатым генератором (АБХМТ).

6.2.3. Результаты технико-экономического расчета АБХМД и АБХМТ и их сравнительный анализ.

6.2.4.Результаты расчета комбинированной АБХМ (АБХМК).

6.2.5. Результаты расчета технико-экономических показателей для АБХМД, АБХМК и их сравнительный анализ.

Актуальность темы. На сегодняшний день, в связи с ростом требований к вопросам экологической безопасности производства и ростом цен на энергоносители, проблемы утилизации сбросного тепла и экономии первичного топлива являются актуальными во всем мире. В связи с этим представляется перспективным совершенствование и разработка новых технологических систем, использующих вторичные энергоресурсы (ВЭР) для выработки холода и тепла.

Среди различных видов АТТ наибольшее распространение получили понижающие абсорбционные бромистолитиевые преобразователи теплоты АБТТ, предназначенные для работы в режимах: холодильной машины, теплового насоса и машины для одновременной выработки холода и теплоты. В настоящее время в разных странах выпускаются абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины (АБХМ) с одноступенчатой и двухступенчатой генерацией пара рабочего вещества.

В связи с тем, что ряд машин с двухступенчатой генерацией обогреваются продуктами сгорания природного газа или водяным паром, имеющими высокую температуру, возникает возможность осуществления трехступенчатой генерации пара рабочего вещества. Однако, до настоящего времени возможность разработки, а тем более оценка эффективности АБХМ с трехступенчатой генерацией пара не проводилась.

Цель и задачи исследования. Разработка алгоритмов и реализация математической модели для расчета на ЭВМ АБХМ с трехступенчатым генератором (АБХМТ). При помощи математической модели исследовать, какая из схем подачи раствора бромистого лития по ступеням генератора является наиболее энергетически выгодной. Построение расчетных характеристик АБХМТ в широком диапазоне изменения параметров внешних источников. Основными задачами исследования являются получение 7 термодинамических, энергетических и технико-экономических показателей работы АБХМТ.

Научная новизна. Впервые разработана математическая модель абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с трехступенчатым генератором, алгоритмы и программы расчета на ЭВМ её действительных термодинамических циклов и основных технико-экономических показателей. Выполнен анализ влияния параметров внешних источников теплоты на эффективность АБХМТ.

Практическая ценность. Математическая модель позволяет рассчитать ряд показателей АБХМТ и оценить эффективность различных схемных решений. Предложена комбинированная схема АБХМ с двухступенчатой генерацией, работающая по схеме с трехступенчатой генерацией в переходные режимы года. Проведена сравнительная оценка комбинированной АБХМ и АБХМ с двухступенчатой генерацией (АБХМД) а также выполнена оценка основных технико-экономических показателей АБХМД и АБХМТ.

Внедрение результатов работы. Разработанная математическая модель и основные результаты диссертационной работы использованы АОЗТ «ЛИДЕСМ» для оценки эффективности АБХМ с трехступенчатым генератором.

Апробация работы.

Материалы по теме диссертации докладывались и обсуждались в 20002002 г.г. на конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий и на двух научно-технических конференциях: на ежегодной международной специализированной выставке «ИНТЕРХОЛОД», 2001г., Санкт-Петербург и на конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», 2001 г., СПГУНиПТ 8

Публикации. Основные вопросы диссертации изложены в двух статьях, опубликованных в сборниках научных трудов, а также в тезисах докладов научно-технической конференции.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав и содержит 75 страниц машинописного текста, 32 таблицы, 30 рисунков. Список использованной литературы включает 76 наименований работ российских и зарубежных авторов; из них 62 на русском языке и 14 на иностранных языках.

Основные выводы и рекомендации

1. Анализ опубликованных материалов показал, что в настоящее время ни в одной известной отечественной и зарубежной фирме исследований процессов, схем и эффективности АБХМ с трехступенчатым генератором не проводится.

2. В связи с тем, что ряд машин с двухступенчатой генерацией обогреваются продуктами сгорания природного газа или водяного пара, имеющими высокую температуру, возникает возможность осуществления трехступенчатой генерации пара рабочего вещества, эффективность которой в широком диапазоне изменения параметров внешних источников может быть определена с помощью математической модели.

3. В результате обобщения теоретических и экспериментальных исследований разработана и реализована на ЭВМ комплексная математическая модель АБХМ с трехступенчатым генератором, которая позволяет, в зависимости от параметров и характера изменения внешних источников, рассчитать и оценить энергетические и технико-экономические показатели такой машины.

4. Проверка адекватности математической модели в наиболее изученной термодинамической области показала, что полученные с её помощью результаты являются достоверными, а сама модель может использоваться в инженерной практике. Так, например, тепловые коэффициенты, рассчитанные с использованием диаграммы и при помощи математической модели, различаются: для схемы с последовательной подачей раствора в ступени генератора на 0,8%; для схемы с параллельной подачей раствора на 0,2%,

5. При помощи математической модели получены термодинамические характеристики АБХМТ в широком диапазоне изменения параметров внешних источников. Температура охлаждаемой среды на выходе из

130 испарителя варьировалась от 5°С до 17°С, температура охлаждающей воды изменялась от 18°С до 27°С, зона дегазации принималась постоянной и дискретно изменяющейся 2,4 и 6%%. При этом, температура греющего источника (пара) изменялась в пределах от 140°С до 240°С тепловой коэффициент изменялся от 1,3 до 2,3, что в среднем на 30% выше, чем в АБХМД.

6. Анализ полученных результатов показал, что наиболее энергетически эффективным является схемное решение АБХМТ, при котором осуществляется параллельная подача раствора по ступеням генератора. Тепловой коэффициент цикла с параллельной подачей превышает тепловой коэффициент цикла с последовательной подачей в среднем на 10%, что связано с более эффективной рекуперацией теплоты в цикле. Повышение ¿и^ на 1°С требует увеличения температуры греющего источника в среднем на 3°С при прочих равных условиях. Установлено также, что при одинаковых условиях для осуществления схемного решения машины с параллельной подачей требуется более высокая в среднем на 10-25 °С температура греющего источника, чем для схемного решения цикла с последовательной подачей. При изменении и на 1°С изменение холодопроизводительности в обоих схемах не превышает 1%.

7. Для повышения эффективности получения холода в АБХМД в настоящее время рекомендуется переходить к комбинированной схеме, что осуществляется путем подключения к АБХМД генератора дополнительной средней ступени.

8. Применение комбинированной АБХМ в климатических условиях Санкт-Петербурга позволяет снизить себестоимость 1 ГДж холода на 7% по сравнению с АБХМД и окупить первоначальные капиталовложения не более чем за 4,5 года. Экономия первичного топлива в этом случае составит около 20%.

131

9. Использование АБХМТ позволяет снизить эксплуатационные издержки на 6%. в год по сравнению с АБХМД, при сроке окупаемости первоначальных капитальных затрат около 2х лет. Таким образом, себестоимость 1ГДж холода при использовании АБХМТ на 10% меньше, чем при использовании АБХМД, при условии работы машин в одинаковых режимах. Расход первичного топлива АБХМТ на 20% ниже, чем при использовании АБХМД.

132

1. Абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы.— Пояснительная записка к проекту Института теплофизики СО РАН.— Новосибирск, 1996.— 22 с.

2. Абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос на газообразном топливе АБТН-2000Г.— Техническое описание ИТФ СО РАН.— Новосибирск, 1995.— 7 с.

3. Александров A.A., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник.— М.: Изд-во МЭИ, 1999.— 168 с.

4. Бадылькес И.С., Данилов Р.Л. Абсорбционные холодильные машины.— М.: Пищевая промышленность, 1966.— 356 с.

5. Бараненко A.B., Попов А.В, Тимофеевский Л.С. и др. Абсорбционные бромистолитиевые преобразователи теплоты нового поколения.— Холодильная техника, 2001, № 4, с. 18-20.

6. Бараненко A.B., Попов A.B., Тимофеевский Л.С. Энергосберегающие абсорбционные бромистолитиевые водоохлаждающие и водонагревательные преобразователи теплоты.— Инженерные системы, 2001, № 4, с. 19-23.

7. Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова A.B. холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справ./ Под ред. Богданова С.Н. 4-е изд., перераб. и доп. СПб: СПбГАХиПТ, 1999. - 320 с.

8. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова A.B. Холодильная техника. Свойства веществ: Справочник.— М.: Агропромиздат, 1985.— 208 с.

9. Бурдуков А.П., Дорохов А.Р. расчет тепло- и массопереноса в элементах абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин. Препринт № 157. Институт теплофизики СО АН СССР. Новосибирск. 1987. - 30 с.

10. Ю.Бурдуков А.П., Кувшинов Г.Г. Исследование механизма кипения электродифузионным методом // Интенсификация теплообмена в энергохимической аппаратуре. Новосибирск. 1977. - С. 33-51.

11. П.Ван Цзыбяо. Анализ эффективности абсорбционного бромистолитиевого133понижающего термотрансформатора с двухступенчатым генератором.— Дис. . канд. техн. наук.— С.-Пб., 1998.— 165 с.

12. Верба О.И., Груздев В.А., Захаренко Л.Г. и др. Термодинамические свойства водных растворов бромистого лития.— В кн.: Теплофизические свойства растворов.— Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1983.— с.19-34.

13. Верба С.И., Груздев В.А., Захаренко Л.Г. и др. Термодинамические свойства и диаграммы водных растворов бромистого лития.— Холодильная техника, 1986, №3, с.44-48.

14. Волкова О.В., Бараненко A.B., Тимофеевский Л.С. Исследование контактной и щелевой коррозии конструкционных материалов в водном растворе бромида лития.— Холодильная техника, 2001, № 5, с.8-10.

15. Волкова О.В., Бараненко A.B., Тимофеевский Л.С. Повышение эксплуатационной надёжности абсорбционных бромистолитиевых машин и термотрансформаторов путём использования новых ингибиторов коррозии.— Известия СПбГУНПТ, 2000, №1, с.27 29.

16. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров A.A. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.— М.: Изд-во стандартов, 1969.— 408 с.

17. Вукалович М.П., Ривкин С.Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1979. -80с.

18. Генрих В.Н., Груздев В.А., Захаренко Л.Г. Экспериментальное исследование вязкости водных растворов бромистого лития.— В кн.: Исследование теплофизических свойств растворов и сплавов.— Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1974.—с.21-23.

19. Горшков В.Г., Молчанова С.М., Черкасский B.C. Алгоритм оптимизации абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с аппаратом воздушного охлаждения.— В кн.: Повышение эффективности холодильных машин.—Л.: ЛТИХП, 1982, с.20-27.

20. Гросман Э.Р., Шаврин B.C. Экспериментальное исследование процессов абсорбционной холодильной установки со ступенчатой регенерацией134раствора.— Холодильная техника, 1979, №5, с. 12-16.

21. Гросман Э.Р., Шаврин B.C., Ткачук А.П. и др. Промышленный абсорбционный бромистолитиевый холодильный агрегат со ступенчатой регенерацией раствора.— Холодильная техника, 1983, №4, с.10-13.

22. Данилова Г.Н., Богданов С.Н., Иванов О.П. и др. Теплообменные аппараты холодильных установок.— Л.: Машиностроение, 1986.— 303 с.

23. Дзино A.A., Тимофеевский Л.С., Ковалевич Д.А. Физико-математическая модель абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с раздельным тепломассопереносом.— Холодильная техника, 1992, №9, с.9-12.

24. Долотов А.Г. Основы комплексного автоматизированного проектирования абсорбционных термотрансформаторов и резорбционно-компрессионных тепловых насосов.— Дис. . докт. техн. наук.— С.-Пб., 1995.— 481 с.

25. Долотов А.Г., Пятко В.Ю. Методика расчёта термодинамических и теплофизических свойств водного раствора бромистого лития на ЭЦВМ.— В кн.: Холодильные машины и термотрансформаторы / Под ред. И.И.Орехова.— Л.: ЛТИХП, 1985, с.60-66.

26. Долотов А.Г., Тимофеевский Л.С., Пятко В.Ю. Оценка эффективности абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин с двухступенчатой генерацией пара.— Холодильная техника, 1995, №3, с.28-30.

27. Долотов А.Г., Тимофеевский Л.С., Пятко В.Ю. Уточнение расчёта термодинамических свойств водного раствора бромистого лития на ЭВМ.— Холодильная техника, 1995, №2, с.25-26.135

28. Долотов А.Г., Тимофеевский JI.C. Пятко В., Ю. Оценка эффективности получения холода в абсорбционных бромистолитиевых термотрансформаторах // Известия СО РАН. Теплофизика и аэромеханика. -Новосибирск, том 1, №3, 1994. С. 233-243.

29. Дорохов А.Р., Бочагов В.Н. Кипение водных растворов бромистого лития в большом объёме.— Холодильная техника, 1980, № 6, с. 18-20.

30. Дорохов А.Р., Бочагов В.Н. Теплоотдача к стекающей по горизонтальным цилиндрам пленке жидкости // Известия СО АН СССР. 1981. - №8. Серия технические науки. Вып. 2. - С. 3-6.

31. Зингер Н.М. Расчёт абсорбционных бромистолитиевых холодильных установок при переменных режимах.— Холодильная техника, 1962, №2, с. 18-22.

32. ЗЗ.Зубалев О.В. оценка эффективности использования абсорбционных бромистолитиевых понижающих термотрансформаторов в системе тепло и хладоснабжения./Дисс. .канд.техн.наук- Санкт-Петербург, 2002. 157с.

33. Карнаух М.С., Псахис Б.И. Определение оптимальных параметров абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины.— Холодильная техника, 1974, №6, с.20-24.

34. Колотов Я.М., Басин A.C. Эксперементальное исследование плотности водных растворов бромистого лития при повышенных температурах // исследование теплофизических свойств растворов и расплавов. -Новосибирск: ИТФ СО АП СССР, 1974. С. 5-20.

35. Кириллин В.В., Шейдлин А.Е., Шпильрайн Э.Э. Термодинамика растворов. М.: Энергия, 1980. -287 с.

36. Курылев Е.С. и др. Холодильные установки : учебник для студентов вузов. -СПб: Политехника, 1999. 576с.

37. Кутателадзе С.С. Основные формулы термодинамики пузырькового кипения.— В кн.: Теплопередача при кипении и конденсации.— Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1978, с.5-20.136

38. Кхарасани С.Д. Эффективность абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин с двухступенчатой генерацией пара рабочего вещества.— Дис. . канд. техн. наук.— С.-Пб., 1993.— 312 с.

39. Минкус Б.А. Выбор перепадов температур в аппаратах абсорбционной холодильной машины.— Холодильная техника, 1968, № 8, с.29-31.

40. Попов A.B. Анализ эффективности абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса с топкой на газовом или жидком топливе.— Дис. . канд. техн. наук.— Санкт-Петербург, 2001.— 100 с.

41. Попов A.B. Оптимальное проектирование бромистолитиевых тепловых насосов.— Дис. . канд. техн. наук.— Новосибирск, 1996.— 80 с.

42. Псахис Б.И. Алгоритм оптимизации абсорбционной холодильной машины.— В кн.: Проблемы эффективного использования вторичных энергоресурсов.—Новосибирск: ИТФ АН СССР СО, 1976, с.158-194.

43. Псахис Б.И. Исследование и оптимизация абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с помощью математической модели. Автореферат. Дисс. . канд.техн.наук. - Новосибирск, 1974

44. Ривкин С.А., Александров A.A. Теплофизические свойства воды и водяного пара.— М.: Энергия, 1980.— 424 с.

45. Розенфельд JI.M., Карнаух М.С. Диаграмма концентрация-энтальпия раствора бромистый литий-вода для расчёта абсорбционных холодильных машин.— Холодильная техника, 1958, №1, с.37-42.

46. Розенфельд JI.M., Карнаух М.С., Тимофеевский JI.C. Расчёт действительных равновесных характеристик абсорбционного термотрансформатора с помощью ЭВМ.— Холодильная техника, 1967, №8, с.25-29.137

47. Розенфельд JI.M., Кузьмицкий Ю.В., Паниев Г.А. Энтропийная диаграмма равновесных фаз водного раствора бромистого лития // Холодильная техника. 1971. - №4. - С.23-24.

48. Рубинов Е.А. Бурдуков А.П. Исследование процесса теплообмена при стекании пленки воды по горизонтальной трубе в вакууме // Химическое и нефтяное машиностроение. 1977. - №2. - с. 19-20.

49. Сагань H.H., Караев В.А. Теплоотдача при кипении воды и сахарных растворов, стекающих пленкой по горизонтальной трубе // Известия вузов. Пищевая технология. 1972. -С. 113-116.

50. Строительная климатология и геофизика/Госстрой СССР М.: Стройиздат, 1983. - 136 с. СниП 2.01.01.-82.

51. Тимофеевский Л.С.Равновесные характеристики системы совмещенных циклов водного раствора бромистого лития./Дисс. .канд.техн.наук. -Новосибирск, 1967. -132с

52. Усюкин И.П. Термодинамические диаграммы раствора бромистый литий -вода.— Холодильная техника, 1969, №1, с.25-29.

53. Усюкин И.П., Гринберг Я.И. Теоретический анализ абсорбционной бромистолитиевой холодильной установки с двухступенчатым генератором.— Холодильная техника, 1971, №7, с. 16-18.

54. Усюкин И.П., Колосков Ю.Д. Исследование работы абсорбционной установки на растворе метиламин вода с получением тепла и холода // Техника низких температур. - М.: Машиностроение, 1974, Вып. 1. - С. 61-70

55. Холодильные машины: Справочник / Под ред. А.В.Быкова.— М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1982.— 223 с.

56. Холодильные установки: Справочный материал / Румянцев Ю.Д., Калюнов B.C., Крайнев A.A.—- СПб.: СПбГАХПТ, 1995.— 43 с.

57. Шмуйлов Н.Г. Абсорбционные бромистолитиевые холодильные и теплонасосные машины.— М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1983.— 42 с.

58. Ялимова Е.И., Шумелишский М.Г. Об использовании в инженерных расчётах уточнённой диаграммы для раствора бромистый литий-вода.— Холодильная техника, 1982, №8, с.38-41.

59. Alactiwi A, Agnew В. Experimental and theoretical investigation of the operating characteristics of an air cooled lithium bromide-water absorption refregiration machine.// Промышленная теплотехника 1999. - т21.,№2-3 - с. 102-108

60. Alefeld. G. Bestimmung der thermopysikalischen daten des stoffpaares wasser -lithiumbromid. Technischen Universität München, 1991, 25 s.

61. Altamush Siddiqui. Economic biogas and cooling water rates in a lithium bromide -water absorption system//International journal of refregiration. -1991. -Vol.l4,№l. -p.32-38.

62. Cmeling Handbuch der anorganischen chemie.Auflage system №20 Lithium. Frankfurt am Main. - 1960. - S.426.

63. Felli M Proprieta thermodinamiche di sistemi bifase a due componenti utilizabli in machine frigorifere adasorbimento. Freddo. 1979. Vd., 33, №1. PP. 17-35.

64. Lower Н. Thermodynamische eigenschaften und warmediagramme des binaren systems lithiumbromid/wasser.— Kältetechnik, 1961, №5, s. 178-184.

65. Об использовании результатов диссертационной работы Македонской М.А. «Оценка эффективности абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с трехступенчатым генератором», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук.

66. Результаты расчетов подтвердили высокую эффективность применения АБХМ с трехступенчатым генератором, а также широкие возможности разработанной в диссертации математической модели для расчета показателей таких машин.